I ricercatori hanno compiuto un passo avanti significativo nella simulazione quantistica, creando il simulatore più grande e controllabile mai realizzato, soprannominato Quantum Twins, in grado di modellare materiali complessi con una precisione senza precedenti. Questa svolta potrebbe accelerare la scoperta di nuovi materiali con proprietà rivoluzionarie, compresi i superconduttori che funzionano in condizioni pratiche.
Il potere della simulazione quantistica
I computer quantistici promettono di risolvere problemi che vanno oltre la portata dei computer classici. I simulatori quantistici adottano un approccio diverso: invece di soluzioni computazionali, emulano direttamente i sistemi quantistici. Ciò è particolarmente prezioso per la scienza dei materiali perché molte proprietà dei materiali – come la superconduttività – derivano da effetti quantistici difficili da calcolare sui normali computer.
Le simulazioni tradizionali hanno difficoltà con sistemi di grandi dimensioni e interazioni complesse. I simulatori quantistici aggirano questa limitazione imitando direttamente il comportamento degli elettroni nei materiali, offrendo una scorciatoia per comprendere e progettare materiali esotici.
Costruire gemelli quantistici
Il simulatore Quantum Twins è stato costruito incorporando atomi di fosforo in chip di silicio. Ogni atomo funge da qubit – l’unità fondamentale dell’informazione quantistica – e i ricercatori hanno organizzato questi qubit con precisione per imitare la struttura atomica dei materiali reali.
L’attuale iterazione di Quantum Twins è costituita da griglie contenenti 15.000 qubit, superando i simulatori precedenti. Fondamentalmente, il team controlla anche le proprietà elettroniche del materiale simulato regolando la facilità con cui gli elettroni si muovono o interagiscono all’interno della griglia. Questo livello di controllo è essenziale per una modellazione accurata.
Primi risultati e prospettive future
Il team ha testato il simulatore ricreando un modello ben noto di come i difetti influiscono sulla conduttività elettrica. I risultati confermano la capacità del simulatore di gestire sistemi complessi che mettono alla prova i computer classici.
Guardando al futuro, Quantum Twins è pronto ad affrontare alcune delle più grandi sfide nella scienza dei materiali:
- Superconduttori a temperatura ambiente: gli attuali superconduttori richiedono freddo o pressione estremi. La simulazione quantistica potrebbe aiutare a progettare materiali superconduttori in condizioni ambientali, rivoluzionando la trasmissione e lo stoccaggio dell’energia.
- Scoperta di farmaci e fotosintesi artificiale: la simulazione delle interfacce tra metalli e molecole potrebbe accelerare lo sviluppo di nuovi farmaci e dispositivi di fotosintesi artificiale più efficienti.
Perché è importante
La capacità di modellare accuratamente i materiali a livello quantistico è un punto di svolta. Non si tratta solo di calcoli più rapidi; si tratta di progettare materiali con proprietà attualmente impossibili da ottenere. Questa svolta avvicina i ricercatori all’ingegneria dei materiali con proprietà personalizzate, risolvendo potenzialmente importanti sfide nel campo dell’energia, della medicina e altro ancora.
“La scalabilità e la controllabilità che abbiamo raggiunto con questi simulatori significa che ora siamo pronti ad affrontare alcuni problemi molto interessanti”, afferma Michelle Simmons, ricercatrice capo del progetto.
Questo sviluppo suggerisce un futuro in cui i materiali vengono progettati atomo per atomo, sbloccando proprietà che oggi possiamo solo sognare.
