Il gruppo di ricercatori del Dipartimento di Scienze Matematiche, Fisiche e Informatiche dell’Università di Parma composto dai proff. Stefano Carretta e Paolo Santini e dal dott. Alessandro Chiesa ha pubblicato sulla prestigiosa rivista “Nature Physics” un importante risultato in cui un computer quantistico viene utilizzato per interpretare complessi esperimenti su nano-magneti molecolari. Ciò dimostra la potenza di un hardware quantistico nello studio di nanosistemi. Questo lavoro è frutto di una collaborazione con l’Università di Pavia (prof. D. Gerace e dott. F. Tacchino), l’IBM Research Laboratory di Zurigo (dott. I. Tavernelli) e IBM Italia (dott. M. Grossi).

La ricerca per la progettazione di nuovi materiali richiede di comprendere la dinamica di nanosistemi, governata dalle leggi della Meccanica Quantistica. Simulare tale evoluzione è un obbiettivo estremamente difficile per calcolatori tradizionali, per cui la ricerca è limitata attualmente a sistemi molto ridotti. Al contrario, un computer quantistico, che basa il suo funzionamento sulle stesse leggi, è in grado di mimare l’evoluzione di altri sistemi quantistici sconosciuti in modo estremamente più efficiente. Questo apre enormi prospettive nella ricerca di nuovi materiali, in particolare nell’ambito di future nanotecnologie.

La ricerca ha sfruttato i prototipi di chip quantistici di IBM (pannello verde in figura) basati su circuiti a superconduttore (tra cui il nuovissimo ibm_q_20_Tokyo). Al contrario dei bit usati per codificare l’informazione nei calcolatori tradizionali, le unità elementari di questi computer del futuro sono bit quantistici che possono esistere in stati di sovrapposizione di 0 e 1, rendendo tali dispositivi enormemente più performanti.

Lo studio ha dimostrato, tramite simulazioni sui chip quantistici di sistemi modello (come la molecola triangolare riportata in figura), che un computer quantistico può essere utilizzato per interpretare avanzati esperimenti di diffusione anelastica quadri-dimensionale di neutroni su nanomagneti molecolari. Tali esperimenti, infatti, costituiscono un punto di partenza fondamentale per lo studio di queste molecole, che potrebbero costituire le unità elementari di future nanotecnologie quantistiche, nonché memorie ad alta densità in dispositivi elettronici. All’alba della seconda rivoluzione quantistica, in una fase in cui i computer quantistici sono ancora prototipi in via di sviluppo, un contributo importante del team è stato dato anche nella caratterizzazione delle principali sorgenti di errore durante l’implementazione dei calcoli quantistici. Ciò ha permesso di correggere tali errori e fornire importanti indicazioni per losviluppo di chip più performanti.

La collaborazione tra Università di Parma e IBM continuerà nell’ambito della convenzione recentemente firmata tra i due partner.