Svelare processi chimici complessi con i computer quantistici

Gli esperti si aspettano dai computer quantistici niente di meno che una rivoluzione tecnologica: presto dovrebbero essere in grado di risolvere problemi che, a causa della loro elevata complessità, sono al di là della portata dei supercomputer convenzionali. La crittografia e la decrittografia dei dati e la soluzione di problemi speciali in fisica, chimica quantistica e ricerca sui materiali sono aree di applicazione spesso citate.

Quando si tratta di domande specifiche a cui i computer quantistici devono rispondere, tuttavia, gli esperti sono rimasti finora per lo più vaghi. I ricercatori dell'ETH di Zurigo e di Microsoft Research presentano ora per la prima volta sulla rivista scientifica PNAS un'applicazione molto specifica: il calcolo di una reazione chimica complessa. Gli scienziati dimostrano così che dai computer quantistici ci si può aspettare un contributo scientificamente rilevante.

Grazie a delle simulazioni, i ricercatori guidati dai professori dell'ETH Markus Reiher e Matthias Troyer hanno dimostrato che una reazione chimica complessa può essere calcolata con un computer quantistico. Un tale computer quantistico dovrebbe essere di "dimensioni moderate", come dice Matthias Troyer. Egli è professore di fisica computazionale all'ETH di Zurigo e attualmente lavora per Microsoft. Difficilmente sarebbe possibile calcolare la reazione presentata dagli scienziati utilizzando solo un supercomputer convenzionale, soprattutto se la soluzione deve essere sufficientemente precisa.

Uno degli enzimi più complessi

I ricercatori hanno utilizzato una reazione particolarmente complessa della biochimica come esempio illustrativo nel loro studio: grazie a uno speciale enzima, la nitrogenasi, alcuni microrganismi possono scindere le molecole di azoto presenti nell'aria e produrre composti chimici con un solo atomo di azoto. Tuttavia, non si sa esattamente come avvenga la reazione della nitrogenasi. "? una delle grandi questioni irrisolte della chimica", afferma Markus Reiher, professore di chimica teorica all'ETH di Zurigo.

Con i computer di oggi è possibile calcolare in modo abbastanza preciso il comportamento di molecole semplici. Tuttavia, questo è praticamente impossibile per la nitrogenasi e il suo centro attivo, poiché la molecola è troppo complessa, spiega Reiher.

In questo caso, per complessità si intende il numero di elettroni all'interno della molecola che interagiscono tra loro su distanze relativamente lunghe. Più sono gli elettroni di cui gli scienziati devono tenere conto, più i calcoli diventano complessi. "Con i metodi esistenti e i supercomputer classici, è possibile calcolare molecole con un massimo di circa 50 elettroni fortemente interagenti", spiega Reiher. Nel caso del centro attivo della nitrogenasi, tuttavia, è necessario prendere in considerazione un numero significativamente maggiore di tali elettroni. Poiché lo sforzo richiesto per ogni elettrone aggiuntivo viene raddoppiato su un computer convenzionale, ciò richiederebbe capacità di calcolo irrealisticamente elevate.

Altre architetture di computer

Come hanno ora dimostrato i ricercatori dell'ETH, ipotetici computer quantistici con soli 100-200 bit quantistici (qubit) saranno in grado di calcolare complessi sottoproblemi in pochi giorni, grazie ai quali si potrebbe determinare passo dopo passo il meccanismo di reazione della nitrogenasi.

Uno dei motivi per cui i computer quantistici sono in grado di risolvere compiti così impegnativi è che sono fondamentalmente diversi dai computer classici. I computer quantistici non richiedono il doppio dei bit per ogni elettrone aggiuntivo da calcolare, ma semplicemente un qubit aggiuntivo.

Tuttavia, non è certo quando tali computer quantistici "moderatamente grandi" saranno disponibili. Gli attuali computer quantistici sperimentali hanno solo circa 20 qubit rudimentali. Reiher stima che ci vorranno almeno altri cinque anni, ma probabilmente più di dieci, prima che un computer quantistico con più di cento qubit di alta qualità sia deciso per le operazioni di calcolo.

In massa e in rete tra loro

Poiché i computer quantistici non possono risolvere tutti i compiti, un giorno integreranno i computer classici piuttosto che sostituirli, come sottolineano i ricercatori. "Il futuro sarà caratterizzato da un'interazione tra computer classici e computer quantistici", afferma Matthias Troyer.

Nel caso della reazione della nitrogenasi, i computer quantistici calcoleranno la distribuzione degli elettroni in una particolare struttura molecolare. Tuttavia, un computer classico dovrà comunque indicare al computer quantistico quali strutture sono particolarmente interessanti e devono quindi essere calcolate. "Bisogna pensare al computer quantistico più come a un co-processore che può assumere determinati compiti da un computer classico e quindi velocizzarlo", dice Markus Reiher.

Per chiarire il meccanismo della reazione della nitrogenasi, non è sufficiente determinare la distribuzione degli elettroni in una singola struttura molecolare. ? piuttosto necessario determinare questa distribuzione in migliaia di strutture. Ogni calcolo richiede diversi giorni. "Affinché i computer quantistici siano utili per questo tipo di problemi, un giorno dovranno essere decisi su larga scala. In questo modo, i calcoli potranno essere eseguiti su più computer contemporaneamente", afferma Troyer.