Scienza

Abbattere tempi e costi della ricerca con i computer quantistici. Una ricerca (e una vittoria)

Per la prima volta è stata realizzata una simulazione dello stato energetico di una molecola usando un computer quantistico. Permetterà di studiare molecole e farmaci direttamente in simulazioni digitali riducendo costi e tempi della ricerca farmacologica.

Ricercatori di Google e di alcune delle più prestigiose università americane e inglesi hanno per la prima volta realizzato una simulazione dello stato energetico di una molecola usando un computer quantistico. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review X, liberamente accessibili e soprattutto incoraggianti. Come hanno fatto e perché dovrebbe essere utile lo spieghiamo subito.

Entangled-Atoms

Cos’è la meccanica quantistica

Ci sono alcuni concetti da sbrogliare, prima di tutto quello di meccanica quantistica. Il mondo come lo conosciamo segue le leggi della meccanica classica, tuttavia se scendiamo nei meandri della materia al livello di molecole e singoli atomi questi iniziano a comportarsi in maniera diversa dal (nostro) solito. Atomi capaci di comunicare a distanza, di influenzarsi a vicenda o di esistere contemporaneamente in stati diversi. Diciamo che alcune leggi fisiche a noi note diventano meno “rigide” e ne compaiono di nuove: nel mondo dell’infinitamente piccolo possiamo dare il benvenuto alla meccanica quantistica.

Con quest’ultima, nell’ambito dei computer, dobbiamo fare i conti da quando i chip hanno subito un’estrema miniaturizzazione, tale da influenzare il modo in cui viene gestita l’informazione. Ed eccoci al secondo concetto: codice binario. Avete presente le sequenze di 0 e 1 tanto care ai circuiti di silicio? Bene, i computer tradizionali elaborano i dati usando il codice binario, dove l’unità di informazione è rappresentata dal bit che può presentarsi solo in due stati ossia 0 o 1.

Nel 1982 tuttavia, il fisico statunitense Richard Feynman suggerì la possibilità di superare questo rigido dualismo teorizzando il funzionamento dei computer quantistici, successivamente confermati da David Deutsch nel 1985. In questi calcolatori, il bit è sostituito dal qubit (quantum bit), in cui l’informazione prima di essere processata può assumere non solo i valori di 0 o 1 ma anche le infinite combinazioni dei due, grazie alla sovrapposizione di stati possibile in ambito quantistico.

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Un circuito quantistico innovativo

Un computer quantistico è dove i nostri calcolatori incontrano la meccanica quantistica e diventano capaci di prestazioni molto superiori di quelle a cui siamo abituati, risolvendo più problemi più velocemente. Come nel caso della ricerca presentata da Google che già da alcuni anni ha intrapreso studi avanzati nel settore sotto il nome di progetto D-Wave.

Misurare lo stato energetico di una molecola, anche delle più semplici, è un’operazione che richiede molto tempo ed energie. Farlo ci aiuta a predire il comportamento della materia, i meccanismi alla base delle reazioni chimiche e persino il funzionamento di farmaci nel nostro organismo. È un po’ come misurare le caratteristiche di un’auto sportiva per prevederne le prestazioni in una gara.

I computer moderni ci danno una mano fondamentale, ma il tempo d’attesa è ancora di diversi giorni.

Realizzare un calcolo simile punta a definire la più bassa configurazione energetica degli elettroni di una molecola. I ricercatori di Google, in collaborazione con il Lawrence Berkeley National Labs, la Tufts University, la UC Santa Barbara, l’University College London e l’Harvard University hanno utilizzato un circuito quantistico super raffreddato detto Xmon, parte di un disposito noto come VQE. Quest’ultimo è il corrispondente quantistico di una rete neurale tradizionale e ha permesso, usando i qubits, di elaborare le funzioni d’onda delle molecole prese in analisi.

technology and scientific research chemical flask and a computer

I risultati (e il futuro)

Una volta ottenuti i primi dati, questi sono stati usati per calcolare lo stato energetico dell’idrogeno confrontando i risultati con quelli già noti e ottenuti sui computer tradizionali. Esito? I dati si sono dimostrati sovrapponibili, ma ottenuti in una frazione di tempo rispetto ai metodi classici.

Una piccola vittoria che gli studiosi vogliono usare come trampolino di lancio per studiare l’energia non solo di singoli atomi ma di interi sistemi chimici. Questo permetterà di studiare molecole e farmaci direttamente in simulazioni digitali (i cosiddetti studi in silico), riducendo costi e tempi della ricerca farmacologica. I digital labs sono sempre più vicini e i computer quantistici ne rappresenteranno la quotidianità.

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