I ricercatori di Google Quantum AI hanno compiuto un significativo passo avanti, sfruttando il loro computer quantistico Willow per migliorare l’interpretazione dei dati di risonanza magnetica nucleare (NMR). Questa tecnica ampiamente utilizzata in chimica e biologia è fondamentale per comprendere i dettagli molecolari e il lavoro di Google suggerisce che i computer quantistici potrebbero presto fornire un valido aiuto in questo campo.
Perché è importante
Sebbene i computer quantistici siano conosciuti soprattutto per il loro potenziale di violare la crittografia moderna, sebbene i dispositivi attuali non siano abbastanza potenti per farlo, offrono anche la promessa di accelerare la scoperta di farmaci e la scienza dei materiali. Questi campi coinvolgono intrinsecamente fenomeni quantistici complessi, il che li rende adatti al calcolo quantistico. L’ultima dimostrazione di Google evidenzia come i computer quantistici possano effettivamente “parlare la stessa lingua della natura”, rivoluzionando potenzialmente l’analisi molecolare.
Echi quantistici e NMR: un nuovo approccio
Il team si è concentrato su un protocollo computazionale chiamato Quantum Echoes, che si basa su un concetto simile all’“effetto farfalla”. Questo effetto descrive come un piccolo cambiamento in una parte di un sistema può innescare grandi conseguenze altrove. I ricercatori hanno utilizzato questo principio all’interno di Willow, utilizzando 103 qubit per simulare il comportamento molecolare.
Come funziona: simulazione di perturbazioni molecolari
Il processo prevede una serie di passaggi:
- Manipolazione dello stato quantistico: i ricercatori inizialmente applicano una sequenza specifica di operazioni ai qubit, alterandone gli stati quantistici in modo controllato.
- Perturbazione controllata: un singolo qubit viene quindi deliberatamente perturbato, agendo come una “farfalla quantistica”.
- Inversione e misurazione: la sequenza originale di operazioni viene applicata al contrario e vengono misurate le proprietà quantistiche risultanti dei qubit.
- Analisi matematica: l’analisi di queste proprietà quantistiche fornisce informazioni sull’intero sistema, compresi i dettagli sulla struttura della molecola.
Questo approccio rispecchia il processo NMR utilizzato nei laboratori, che prevede la stimolazione delle molecole con onde elettromagnetiche e l’analisi delle reazioni per determinare le posizioni relative degli atomi, agendo essenzialmente come un “governatore molecolare”. Emulando questo processo con i qubit, i ricercatori possono potenzialmente “vedere tra gli atomi” più distanti.
Prestazioni e potenziale
Il team stima che l’esecuzione di un protocollo simile su un supercomputer convenzionale richiederebbe circa 13.000 volte più tempo. Inoltre, la capacità di ottenere gli stessi risultati su due diversi computer quantistici dimostra l’affidabilità e la coerenza del protocollo Quantum Echoes. Questo miglioramento è in gran parte dovuto ai miglioramenti dell’hardware di Willow, in particolare alla riduzione dei tassi di errore dei qubit.
Limiti attuali e prospettive future
Sebbene promettente, il lavoro del team è ancora preliminare. Gli esperimenti attuali utilizzano solo fino a 15 qubit e i risultati possono ancora essere replicati utilizzando metodi convenzionali. Inoltre, i risultati non sono stati sottoposti a un processo formale di revisione tra pari.
Gli esperti concordano sul fatto che questa applicazione di Quantum Echoes è molto promettente, sebbene la sua utilità sia attualmente limitata a studi biologici specializzati. La creazione di un collegamento tra tecniche consolidate come la NMR e i calcoli quantistici rappresenta un importante passo avanti. Tuttavia, per continuare a progredire è necessario affrontare i limiti e dimostrare un chiaro vantaggio rispetto ai metodi esistenti.
I ricercatori si concentrano sulla riduzione dei tassi di errore dei qubit e sull’aumento del numero di qubit utilizzati nel protocollo, consentendo l’analisi di molecole progressivamente più grandi e complesse. L’obiettivo finale è rendere questa tecnica uno strumento prezioso per gli scienziati in vari campi.
La questione della determinazione della struttura molecolare è estremamente importante e rilevante. Creare una connessione tra una tecnica consolidata come la NMR e i calcoli eseguiti su un computer quantistico è un passo importante, ma per il momento l’utilità della tecnica sarebbe probabilmente limitata a studi altamente specializzati in biologia. — Keith Fratus, Simulazioni quantistiche HQS
La ricerca di applicazioni informatiche quantistiche continua e, sebbene Quantum Echoes on Willow sia un’impressionante dimostrazione sperimentale, il suo ampio utilizzo dipende dal superamento dei limiti attuali e, in definitiva, dalla dimostrazione della sua superiorità rispetto ai metodi convenzionali. Fino ad allora, rimane uno strumento prezioso per i teorici della fisica coinvolti nello studio fondamentale dei sistemi quantistici.
