Per decenni, i ricercatori hanno dovuto ricorrere a supercomputer o sistemi di intelligenza artificiale per decifrare i misteri di questi sistemi dalle infinite possibilità. Tuttavia, una rivoluzione silenziosa potrebbe cambiare radicalmente questo approccio, rendendo accessibili calcoli quantistici complessi anche attraverso un semplice computer portatile.
La rivoluzione dei laptop quantistici
Un team di scienziati dell'Università di Buffalo ha compiuto un passo decisivo verso la democratizzazione della computazione quantistica. La loro innovazione si basa sull'espansione di una tecnica computazionale economica chiamata approssimazione di Wigner troncata (TWA), una sorta di scorciatoia matematica che semplifica i calcoli quantistici più complessi. Lo studio, pubblicato a settembre su PRX Quantum della American Physical Society, presenta un framework pratico e intuitivo che permette ai ricercatori di inserire i propri dati e ottenere risultati significativi in poche ore.
"Il nostro approccio offre un costo computazionale significativamente ridotto e una formulazione molto più semplice delle equazioni dinamiche", spiega Jamir Marino, professore assistente di fisica e autore principale dello studio. "Crediamo che questo metodo possa diventare, nel prossimo futuro, lo strumento primario per esplorare questi tipi di dinamiche quantistiche su computer di uso comune."
Dal laboratorio tedesco all'applicazione pratica
La ricerca ha preso forma quando Marino lavorava ancora presso l'Università Johannes Gutenberg di Magonza, in Germania, collaborando con i suoi studenti Hossein Hosseinabadi e Oksana Chelpanova. Quest'ultima ha successivamente seguito Marino come ricercatrice post-dottorato nel suo nuovo laboratorio di Buffalo. Il progetto ha ricevuto il sostegno di prestigiose istituzioni come la National Science Foundation, la German Research Foundation e l'Unione Europea.
L'innovazione del team si concentra su quello che viene definito un approccio semiclassico: una strategia intermedia che conserva abbastanza comportamento quantistico per mantenere l'accuratezza, eliminando al contempo dettagli che hanno scarso impatto sul risultato finale. Non tutti i sistemi quantistici possono essere risolti con precisione assoluta, poiché la potenza computazionale richiesta cresce in modo esponenziale con l'aumentare della complessità del sistema.
Oltre i limiti dell'idealizzazione
La tecnica TWA tradizionale, sviluppata negli anni '70, presentava una limitazione fondamentale: funzionava solo con sistemi quantistici isolati e idealizzati, dove non si verifica alcuna perdita o guadagno di energia. Il mondo reale, tuttavia, è decisamente più caotico. Le particelle sono costantemente influenzate da forze esterne e disperdono energia nell'ambiente circostante, creando quella che gli scienziati chiamano dinamica dissipativa degli spin.
"Molti gruppi hanno tentato di fare questo prima di noi", ammette Marino. "È noto che certi sistemi quantistici complicati potrebbero essere risolti efficacemente con un approccio semiclassico. Tuttavia, la vera sfida è stata renderlo accessibile e facile da utilizzare."
Una rivoluzione nell'accessibilità scientifica
In passato, i ricercatori che volevano utilizzare la TWA si scontravano con una barriera di complessità apparentemente invalicabile. Dovevano riderivare la matematica da zero ogni volta che applicavano il metodo a un nuovo problema quantistico. Il team di Marino ha trasformato quella che un tempo erano pagine di matematica densa e quasi impenetrabile in una semplice tabella di conversione che traduce un problema quantistico in equazioni risolvibili.
"I fisici possono essenzialmente imparare questo metodo in un giorno, e verso il terzo giorno stanno già affrontando alcuni dei problemi più complessi che presentiamo nello studio", rivela Chelpanova, sottolineando l'incredibile facilità d'uso della nuova metodologia.
Liberare i supercomputer per le vere sfide
L'obiettivo finale è quello di riservare i cluster di supercomputing e i modelli di intelligenza artificiale per i sistemi quantistici veramente complicati: quelli che non possono essere risolti con un approccio semiclassico e che presentano non solo mille miliardi di stati possibili, ma più stati di quanti siano gli atomi nell'universo. "Molto di quello che appare complicato in realtà non lo è", osserva Marino con pragmatismo scientifico.
Questa distinzione potrebbe rivoluzionare l'allocazione delle risorse computazionali nel campo della ricerca quantistica. I fisici potranno utilizzare le risorse di supercalcolo sui sistemi che richiedono effettivamente un approccio quantistico completo, mentre risolveranno rapidamente il resto con questa nuova metodologia. Una prospettiva che promette di accelerare significativamente la ricerca in un campo dove ogni avanzamento può aprire nuove frontiere tecnologiche.