Cosa possiamo scoprire, già oggi, con i computer quantistici? La sfida del nuovo ERC Starting Grant QUANTHEM

Lorenzo Piroli, Principal Investigator del progetto ERC Starting Grant QUANTHEM

I computer quantistici realizzati con la tecnologia attuale non sono ancora in grado di operare in modo affidabile e non permettono di realizzare simulazioni quantistiche. Sfruttando le loro caratteristiche uniche, però, potrebbero già oggi dare vita a fenomeni molto diversi da quelli studiati tradizionalmente, aprendo nuovi orizzonti e opportunità di ricerca.

È la sfida su cui si concentrerà QUANTHEM, nuovo progetto di Lorenzo Piroli, ricercatore al Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell’Università di Bologna, finanziato dallo European Research Council (ERC) con uno Starting Grant del valore di 1,4 milioni di euro.

“Uno degli obiettivi del progetto è proprio quello di identificare effetti nuovi, potenzialmente esotici e già osservabili negli attuali esperimenti su dispositivi quantistici”, spiega Piroli. “La predizione di questi effetti sarebbe estremamente importante dal punto di vista fondamentale, rivelando ‘nuova fisica’ nell’ambito della teoria quantistica a molti corpi, e potenzialmente anche dal punto di vista tecnologico”.

I computer quantistici promettono di rivoluzionare diversi ambiti della scienza, sia perché permetterebbero di risolvere alcuni problemi matematici in modo estremamente efficiente, sia per la possibilità di implementare la cosiddetta simulazione quantistica. Con questa tecnica, un sistema quantistico di interesse – ad esempio un gas di atomi o una macromolecola – potrebbe essere direttamente simulato su un calcolatore quantistico per studiarne in dettaglio le proprietà, andando oltre alle limitate capacità dei computer attuali.

Negli ultimi due decenni sono stati fatti molti passi avanti nello sviluppo dei computer quantistici, grazie a nuove tecnologie per la realizzazione di piattaforme quantistiche con un elevatissimo livello di controllo, come sistemi di atomi ultrafreddi o di circuiti superconduttori.

La ricerca per realizzare un computer quantistico perfettamente funzionante è però ancora agli inizi. Nella situazione attuale, il collo di bottiglia è dato dalla difficoltà di isolare perfettamente il sistema da interferenze esterne: una difficoltà che è intimamente legata alla fragilità dei fenomeni quantistici. A causa di questo “rumore” sperimentale, i computer quantistici realizzati con la tecnologia attuale non riescono ancora ad operare in modo affidabile e non permettono di realizzare simulazioni quantistiche.

Da qui parte il progetto QUANTHEM, che si propone di rispondere alla domanda: cosa può insegnarci, già oggi, un calcolatore quantistico che ancora “non riesce a calcolare”?

“QUANTHEM riflette la duplice natura e l’interesse interdisciplinare dei più recenti dispositivi quantistici, che possono essere visti sia come prototipi di computer, sia come piattaforme sperimentali per lo studio della fisica quantistica a molti corpi”, dice Lorenzo Piroli. “Per questo, il progetto contribuirà anche ad irrobustire le recenti sinergie istaurate tra diversi gruppi di ricerca negli ambiti dell’informatica quantistica e della fisica teorica”.