Simulare materiali quantistici così complessi da mettere in ginocchio i supercomputer più potenti al mondo sembrava un’impresa fuori portata. Eppure un nuovo algoritmo quantistico sviluppato dai ricercatori della Aalto University ha fatto esattamente questo, aprendo scenari che fino a poco tempo fa appartenevano alla fantascienza. Il team finlandese ha trovato il modo di simulare i cosiddetti quasicristalli, strutture quantistiche dalla complessità matematica spaventosa, con una velocità che lascia senza parole.

Per capire la portata della cosa, basta un numero: simulare un quasicristallo può richiedere l’elaborazione di oltre un quadrilione di valori numerici. Parliamo di una scala che va ben oltre le capacità di qualsiasi supercomputer attualmente esistente. L’algoritmo quantistico messo a punto dal gruppo guidato dal professor Jose Lado aggira il problema in modo elegante, riformulando l’intera sfida con tecniche ispirate al funzionamento dei computer quantistici. In pratica, anziché tentare un calcolo diretto della struttura completa del materiale, il sistema sfrutta le cosiddette reti tensoriali per codificare spazi computazionali esponenzialmente grandi. Il risultato? Un quasicristallo con oltre 268 milioni di siti simulato quasi istantaneamente.

Dai quasicristalli topologici ai qubit del futuro

Al centro della ricerca ci sono i quasicristalli topologici, materiali particolarissimi che ospitano eccitazioni quantistiche non convenzionali. Queste eccitazioni hanno una proprietà molto interessante: proteggono la conduttività elettrica dal rumore e dalle interferenze. Un dettaglio tutt’altro che trascurabile quando si pensa alle applicazioni pratiche, come l’elettronica a dissipazione zero, capace di condurre elettricità senza perdite di energia. In un’epoca in cui i data center per l’intelligenza artificiale divorano quantità enormi di energia, una tecnologia del genere potrebbe fare la differenza.

Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters come Editor’s Suggestion, è stato condotto dal dottorando Tiago Antão insieme a Yitao Sun e Adolfo Fumega. La parte sperimentale vera e propria non c’è ancora, il lavoro resta per ora su base teorica e simulativa. Ma il passo successivo è già in vista: Lado ha spiegato che l’algoritmo quantistico potrà essere adattato per funzionare su hardware quantistico reale, non appena le macchine raggiungeranno la scala e la fedeltà necessarie. L’infrastruttura finlandese AaltoQ20 potrebbe giocare un ruolo chiave in questa fase.

Un circolo virtuoso tra materiali e algoritmi

C’è un aspetto che rende questa ricerca ancora più affascinante. Il professor Lado parla di un “ciclo di feedback produttivo” tra materiali quantistici e computer quantistici. In sostanza, gli algoritmi ispirati al quantum computing permettono di progettare nuovi materiali, che a loro volta serviranno a costruire computer quantistici migliori. È un circolo virtuoso, una spirale positiva che potrebbe accelerare enormemente lo sviluppo tecnologico del settore.

Il progetto rientra nel grant ERC Consolidator ULTRATWISTROICS di Lado, focalizzato sulla progettazione di qubit topologici con materiali van der Waals, e nel Centro di Eccellenza QMAT dedicato alle tecnologie quantistiche. Progettare e studiare materiali esotici potrebbe diventare una delle prime applicazioni davvero pratiche del quantum computing. E questo algoritmo quantistico, nato in un laboratorio di Helsinki, potrebbe essere il punto di partenza.

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