Somiglianze tra i sistemi quantistici e il volo delle api: il simulatore quantistico fornisce approfondimenti sulla dinamica dei sistemi quantistici complessi
Sistemi quantistici e volo delle api
Il simulatore quantistico fornisce approfondimenti sulla dinamica dei sistemi quantistici complessi
Un sistema quantistico con solo 51 atomi carichi può assumere più di due trilioni di stati diversi. Calcolarne il comportamento è un gioco da ragazzi per un simulatore quantistico. Ma è quasi impossibile verificare se il risultato è corretto, anche con gli ultimi supercomputer. Un gruppo di ricerca dell’Università di Innsbruck e dell’Università tecnica di Monaco (TUM) ha ora mostrato come tali sistemi possono essere verificati utilizzando equazioni sviluppate nel 18° secolo.
A prima vista, un sistema di 51 ioni sembra gestibile. Ma anche se si scambia ciascuno di questi atomi carichi avanti e indietro tra due soli stati, ci sono più di due trilioni di configurazioni diverse che il sistema può adottare.
Il comportamento di un tale sistema è quindi difficilmente calcolabile con i computer convenzionali. Soprattutto perché una volta che uno stimolo è stato introdotto nel sistema, può andare avanti a passi da gigante. Segue una statistica nota come volo di Lévy.
È caratteristico di tali movimenti che, oltre ai salti più piccoli che ci si aspetta, ce ne siano sempre di molto più grandi. Questo comportamento si può osservare anche nel volo delle api e nei movimenti violenti del mercato azionario.
Simulazione della dinamica quantistica: classicamente un problema difficile
Mentre simulare la dinamica di un sistema quantistico complesso è un osso duro da decifrare anche per i supercomputer classici, è un gioco da ragazzi per i simulatori quantistici. Ma come dovresti controllare i risultati di un simulatore quantistico se non riesci a ricalcolarli?
Le osservazioni sui sistemi quantistici hanno suggerito che almeno il comportamento a lungo termine di tali sistemi quantistici potrebbe essere descritto utilizzando equazioni come quelle sviluppate dai fratelli Bernoulli nel 18° secolo per descrivere il comportamento dei liquidi.
Per verificare questa ipotesi, il team ha utilizzato un sistema quantistico che simulava la dinamica dei magneti quantistici. Con questo sono stati in grado di dimostrare che dopo una fase iniziale in cui dominano gli effetti della meccanica quantistica, il sistema può essere effettivamente descritto con le equazioni come sono conosciute dalla fluidodinamica.
Inoltre, hanno dimostrato che le stesse statistiche di volo di Lévy che descrivono le strategie di foraggiamento delle api descrivono anche i processi fluidodinamici in questo sistema quantistico.
Ioni intrappolati come piattaforma per simulazioni quantistiche controllate
Il simulatore quantistico è stato allestito presso l’Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) dell’Accademia austriaca delle scienze nel campus dell’Università di Innsbruck. “Il nostro sistema simula efficacemente un magnete quantistico rappresentando i poli nord e sud di un magnete elementare attraverso due livelli di energia degli ioni”, afferma Manoj Joshi, scienziato dell’IQOQI Innsbruck.
“Il nostro più grande progresso tecnico è stato che siamo stati in grado di controllare ciascuno dei 51 ioni individualmente”, spiega Manoj Joshi. “Questo ci ha permesso di studiare la dinamica di stati iniziali arbitrari, che era necessario per mostrare l’emergere della dinamica dei fluidi”.
“Sebbene il numero di qubit e la stabilità degli stati quantistici siano attualmente ancora limitati, ci sono domande per le quali possiamo già utilizzare l’enorme potenza di calcolo dei simulatori quantistici oggi”, afferma Michael Knap, professore di dinamica quantistica collettiva presso l’Università tecnica di Monaco di Baviera.
“Nel prossimo futuro, i simulatori quantistici ei computer quantistici saranno piattaforme ideali per la ricerca sulla dinamica di sistemi quantistici complessi”, spiega Michael Knap. “Ora sappiamo che da un certo momento questi sistemi seguono le leggi della fluidodinamica classica. Se ci sono grandi deviazioni da questo, questa è un’indicazione che il simulatore non funziona”.
Pubblicazione:
Osservando l’idrodinamica emergente in un magnete quantistico a lungo raggio
MK Joshi, F. Kranzl, A. Schuckert, I. Lovas, C. Maier, R. Blatt, M. Knap, CF Roos
Scienza, 13.05.2022 – DOI: 10.1126/science.abk2400
Link: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk2400
