Quando Richard Feynman concepì per la prima volta i pc quantistici negli anni ’80, credeva che avrebbero dovuto indagare principalmente i fenomeni quantistici. Ecco cosa ha fatto un gruppo di chimici: hanno usato l'{hardware} quantistico per esplorare una molecola quasi impossibile nel regno quantistico.
In un articolo pubblicato oggi in Scienzai ricercatori riferiscono di aver costruito un nuovo tipo di molecola caratterizzata da quella che chiamano una configurazione o topologia “mezzo Möbius”. Il staff ha creato la molecola con mezzi convenzionali, ma è stata necessaria la potenza di calcolo di un pc quantistico per confermare che la molecola apparentemente stravagante fosse una configurazione legittima nel regno quantistico e successivamente concettualizzare che tipo di struttura rappresentasse.
I risultati evidenziano il crescente potere dell’{hardware} quantistico nella ricerca scientifica, in cui i ricercatori hanno sempre più accesso a una serie diversa di strumenti per indagare problemi difficili, specialmente quelli precedentemente ritenuti impossibili da risolvere.
La fantasia irrealizzata di un chimico
Puoi creare facilmente un nastro di Möbius tutto tuo: prendi una lunga striscia di carta, girala e collega le estremità: fatto! Tuttavia, le cose non sono così semplici nella chimica avanzata. Su scala più piccola, le connessioni atomiche di una molecola non assomigliano ai modelli accurati e organizzati tipicamente presentati nei libri di testo di chimica.
Invece, gli elettroni interagiscono tramite orbitali—funzioni probabilistiche che denotano il comportamento quantistico ondulatorio degli elettroni in un atomo. Ora, per i ricercatori, questa è una seccatura enorme, dal momento che i pc classici non sono così bravi nel “descrivere esplicitamente le interazioni tra gli elettroni”. Igor Rončevićha detto a Gizmodo l’autore principale dello studio e un chimico dell’Università di Manchester.
“Circa 10 anni fa, potevamo modellare circa 16 elettroni utilizzando i pc classici, e ora possiamo arrivare fino a 18”, ha aggiunto. “Anche se raddoppiassimo la potenza di calcolo, questo non ci porterebbe molto lontano, poiché il ridimensionamento è esponenziale. Questo perché stiamo usando oggetti classici, i bit, per simulare oggetti quantistici, gli elettroni.”
In chimica, la topologia influenza il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso una molecola e successivamente influenza il comportamento chimico della molecola. Poiché la comprensione di queste interazioni è fondamentale per realizzare strutture molecolari complesse, queste sfide metodologiche hanno rappresentato finora un enorme ostacolo, ha affermato.
Fare un ulteriore passo avanti
Ma la potenza di calcolo di un pc quantistico ha permesso al staff di modellare e descrivere fino a 32 elettroni. Sorprendentemente, la struttura orbitale della “mezza” molecola di Möbius richiede quattro circuiti per essere tracciata completamente e può passare avanti e indietro tra più stati contorti: una topologia molecolare mai vista prima.
Inizialmente, il staff stava studiando le strutture advert anello del carbonio ma, nel processo, ha anche finito per creare una molecola a base di carbonio con due cloruri. Quando hanno rivisitato la molecola con un microscopio a risoluzione atomica, si sono resi conto che aveva una struttura orbitale insolita. È stato solo dopo aver riprodotto l’immagine utilizzando un pc quantistico che hanno capito di non avere “allucinazioni”, ha ricordato Rončević.
Tuttavia, ci è voluto un altro ritorno al lavoro teorico più antico, risalente al 1964, per comprendere veramente la topologia, ha aggiunto, sottolineando che “la sfida principale period realizzare effettivamente ciò che avevamo e quindi capire la teoria su come descriverlo. Quando tutto finalmente ha funzionato, eravamo esausti ma molto felici”.
È questa la rivoluzione?
Ora, per affrontare l’elefante nella stanza: questo esperimento dimostra il vantaggio quantistico, ovvero che l’{hardware} quantistico supera senza dubbio le sue controparti classiche per compiti specifici? E, soprattutto, tutto questo è utile?
Scott Aaronsonuno scienziato informatico dell’Università del Texas advert Austin che non è stato coinvolto nel nuovo lavoro, ha detto a Gizmodo che, per lo meno, il documento di per sé tratta l'{hardware} quantistico più come un ripensamento, ha detto.
“Dicono di aver superato ciò che la simulazione classica esatta può fare, ma non è questa la domanda rilevante”, ha spiegato Aaronson. “La domanda rilevante è: hanno ottenuto qualche vantaggio rispetto alla simulazione classica approssimativa?”
Per essere onesti, Aaronson ha aggiunto: “Questo sembra un’indicazione di come l’uso dei pc quantistici per la chimica, la scienza dei materiali, ecc., diventerà sempre più di routine, al punto che vale a malapena la pena di sottolinearlo”.
“È fantastico, questo è il punto” Jerry Chowdirettore di IBM Quantum, ha detto a Gizmodo in risposta ai commenti di Aaronson. Chow non è stato direttamente coinvolto nel nuovo studio ma supervisiona l’uso dell’{hardware} quantistico di IBM.
“Potrebbe diventare sempre più banale che questi pezzi si uniscano, ma dimostra la maturità delle capacità che possono essere sfruttate come strumento da esperti del settore”, ha affermato Chow. “È ciò di cui parlava Feynman: i pc quantistici hanno la capacità di studiare gli effetti quantistici, che sono naturali in chimica.”
Un’period quantistica in chimica
Detto questo, Rončević è semplicemente felice di avere alcuni nuovi fantastici strumenti. Il staff non è ancora sicuro di dove la nuova molecola potrebbe tornare utile, ma i risultati confermano che è possibile progettare e manipolare piccoli stati di elettroni, quindi utilizzare {hardware} quantistico per convalidare il comportamento della meccanica quantistica.
Advert esempio, le unità disco sono emerse come prodotto degli scienziati che si sono resi conto che lo spin di un elettrone poteva essere utilizzato come ulteriore “grado di libertà” nelle scoperte tecnologiche. Allo stesso modo, topologie non banali potrebbero supportare sensori quantistici o consentire un controllo più complesso sull’alimentazione delle tecnologie quantistiche, ha spiegato Rončević.
“La scienza avanza mentre scopriamo nuovi modi per manipolare la materia”, ha detto. “Se siamo molto ottimisti, potremmo congetturare che molecole topologicamente non banali troveranno applicazioni nelle tecnologie quantistiche”.
