I fisici hanno creato un nuovo modo per simulare l’entanglement quantistico tra particelle interagenti. Il loro approccio prevede l’aggiunta di particelle fittizie aggiuntive controllate da una tecnica di intelligenza artificiale chiamata rete neurale.
I fisici stanno (temporaneamente) aumentando la realtà per decifrare il codice dei sistemi quantistici.
La previsione delle proprietà di una molecola o di un materiale richiede il calcolo del comportamento collettivo dei suoi elettroni. Tali previsioni potrebbero un giorno aiutare i ricercatori a sviluppare nuovi prodotti farmaceutici o progettare materiali con proprietà ricercate come la superconduttività. Il problema è che gli elettroni possono diventare ‘quantum meccanicamente’ impigliati tra loro, il che significa che non possono più essere trattati individualmente. L’intricata rete di connessioni diventa assurdamente complicata anche per i computer più potenti da svelare direttamente per qualsiasi sistema con più di una manciata di particelle.
Ora, i fisici quantistici del Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute di New York City e dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera hanno aggirato il problema. Hanno creato un modo per simulare l’entanglement aggiungendo ai loro calcoli ulteriori elettroni “fantasma” che interagiscono con gli elettroni effettivi del sistema.
Nel nuovo approccio, il comportamento degli elettroni aggiunti è controllato da una tecnica di intelligenza artificiale chiamata rete neurale. La rete apporta modifiche finché non trova una soluzione accurata che può essere proiettata di nuovo nel mondo reale, ricreando così gli effetti dell’entanglement senza gli ostacoli computazionali associati.
I fisici presentano il loro metodo il 3 agosto negli Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze .
“Puoi trattare gli elettroni come se non parlassero tra loro, come se non interagissero”, afferma l’autore principale dello studio Javier Robledo Moreno, uno studente laureato presso il CCQ e la New York University. “Le particelle extra che stiamo aggiungendo stanno mediando le interazioni tra quelle reali che vivono nel sistema fisico reale che stiamo cercando di descrivere”.
Nel nuovo articolo, i fisici dimostrano che il loro approccio corrisponde o surclassa i metodi concorrenti nei semplici sistemi quantistici.
“Lo abbiamo applicato a cose semplici come banco di prova, ma ora lo stiamo portando al passaggio successivo e lo stiamo provando su molecole e altri problemi più realistici”, afferma il coautore dello studio e direttore del CCQ Antoine Georges. “Questo è un grosso problema perché se hai un buon modo per ottenere le funzioni d’onda di molecole complesse, puoi fare qualsiasi cosa, come progettare farmaci e materiali con proprietà specifiche”.
L’obiettivo a lungo termine, afferma Georges, è consentire ai ricercatori di prevedere computazionalmente le proprietà di un materiale o di una molecola senza doverlo sintetizzare e testarlo in laboratorio. Potrebbero, ad esempio, essere in grado di testare una serie di molecole diverse per una proprietà farmaceutica desiderata con pochi clic del mouse. “Simulare grandi molecole è un grosso problema”, afferma Georges.
Robledo Moreno e Georges sono co-autori dell’articolo con l’assistente professore di fisica dell’EPFL Giuseppe Carleo e il ricercatore del CCQ James Stokes.
Il nuovo lavoro è un’evoluzione di un articolo del 2017 su Science di Carleo e Matthias Troyer , che attualmente è un Technical Fellow in Microsoft. Quel documento combinava anche reti neurali con particelle fittizie, ma le particelle aggiunte non erano elettroni in piena regola. Invece, avevano solo una proprietà nota come spin.
“Quando ero [al CCQ] a New York, ero ossessionato dall’idea di trovare una versione di rete neurale che descrivesse il modo in cui si comportano gli elettroni e volevo davvero trovare una generalizzazione dell’approccio che abbiamo introdotto nel 2017 ”, dice Carlo. “Con questo nuovo lavoro, abbiamo finalmente trovato un modo elegante per nascondere particelle che non sono spin ma elettroni”.
SULL’ISTITUTO FLATIRON
Il Flatiron Institute è la divisione di ricerca della Fondazione Simons. La missione dell’istituto è far progredire la ricerca scientifica attraverso metodi computazionali, tra cui analisi dei dati, teoria, modellizzazione e simulazione. Il Center for Computational Quantum Physics dell’istituto mira a sviluppare concetti, teorie, algoritmi e codici necessari per risolvere il problema quantistico a molti corpi e utilizzare le soluzioni per prevedere il comportamento di materiali e molecole di interesse scientifico e tecnologico.
