Lo stretto legame tra IBM ed i computer quantistici

La computazione quantistica entra nel cuore della fisica, e mostra il modo in cui nuove simulazioni possono superare i limiti storici del modello standard, con prospettive inedite sulla struttura dell’universo.

Da molti anni, la fisica delle particelle convive con una contraddizione strutturale che possiamo così spiegare: il modello standard rappresenta con estrema accuratezza le interazioni fondamentali, ma le sue equazioni diventano quasi impossibili da risolvere quando vengono applicate a scenari estremi, come collisioni ad altissima energia o stati di materia caratterizzati da densità fuori scala. In questi regimi, anche i supercomputer classici più avanzati raggiungono rapidamente i propri limiti, costringendo i ricercatori a ricorrere a semplificazioni che riducono il potere predittivo delle simulazioni. In questo contesto si inserisce un risultato che segna un vero punto di svolta, poiché un team internazionale ha dimostrato come i computer quantistici possano essere utilizzati per preparare stati iniziali realistici utili alla simulazione di processi tipici degli acceleratori di particelle. L’esperimento, condotto sfruttando l’infrastruttura di calcolo quantistico di IBM, viene considerato la più estesa simulazione quantistica digitale mai realizzata nell’ambito della fisica nucleare, con un impiego superiore ai cento qubit. L’aspetto più critico del lavoro ha riguardato la fase di inizializzazione, elemento essenziale di qualsiasi simulazione quantistica. Per descrivere correttamente un sistema fisico complesso, infatti, è necessario che il computer quantistico venga portato in uno stato che riproduca fedelmente le condizioni di partenza, un’operazione che nel caso delle interazioni forti risulta particolarmente delicata dal punto di vista teorico e computazionale.

Secondo l’impostazione adottata, l’attenzione è stata rivolta alle simmetrie e alle diverse scale di lunghezza che caratterizzano i campi quantistici. L’analisi di queste proprietà ha consentito di progettare circuiti quantistici modulari e scalabili, capaci di generare correlazioni locali in modo controllato. La validazione iniziale è avvenuta su sistemi di dimensioni ridotte, confrontando i risultati con simulazioni classiche per verificare che gli stati quantistici potessero essere progressivamente raffinati. Solo in una fase successiva, l’architettura è stata estesa a configurazioni molto più ampie, dimostrando che l’approccio mantiene la propria efficacia anche su scala maggiore.

Dal punto di vista applicativo, la simulazione ha riguardato una versione unidimensionale dell’elettrodinamica quantistica, utilizzata come banco di prova per la preparazione sia dello stato di vuoto sia di fasci di adroni, particelle composite costituite da quark legati dall’interazione forte. È emerso che la piattaforma quantistica è in grado sia di definire correttamente le condizioni iniziali sia di seguire l’evoluzione temporale dei sistemi, tracciando la propagazione degli impulsi adronici, un passaggio che viene considerato alquanto delicato perché dimostra la possibilità di studiare l’intera dinamica dei fenomeni e non soltanto configurazioni statiche. Le implicazioni scientifiche di questo avanzamento sono ampie e toccano alcuni dei problemi più profondi della fisica moderna.

Le simulazioni quantistiche scalabili potrebbero offrire nuovi strumenti per indagare l’asimmetria tra materia e antimateria, i processi di nucleosintesi che avvengono nelle supernove o il comportamento della materia a densità estreme, come quelle presenti nelle stelle di neutroni. Si tratta di ambiti in cui le simulazioni classiche forniscono oggi solo descrizioni parziali.

Il progetto ha beneficiato del supporto di programmi dedicati alla scienza quantistica del Department of Energy statunitense e dell’accesso a importanti infrastrutture di supercalcolo, affiancate dai servizi IBM Quantum. È stato, inoltre, evidenziato che la metodologia sviluppata non si limita alla sola fisica delle particelle, ma può essere estesa allo studio di materiali con proprietà quantistiche non convenzionali. L’obiettivo a breve termine viene identificato nel passaggio da dimostrazioni di principio a simulazioni dinamiche complete, capaci di trasformare i computer quantistici in veri strumenti predittivi per la ricerca scientifica avanzata.