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Visualizzazione artistica di un computer quantistico con qubit sovrapposti che simulano interazioni molecolari e strutture chimiche quantistiche

Oltre la crittografia e gli algoritmi teorici, il vero potenziale rivoluzionario dei computer quantistici risiede nella simulazione della natura. La chimica quantistica e la scoperta di nuovi farmaci e materiali richiedono calcoli impossibili per i computer classici, ma naturali per le macchine quantistiche. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO

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Simulare la natura con la meccanica quantistica
Richard Feynman, premio Nobel per la fisica, osservò negli anni Ottanta che simulare sistemi quantistici con computer classici è intrinsecamente inefficiente. La natura opera secondo le leggi della meccanica quantistica, e per simularla accuratamente servono computer che sfruttano gli stessi principi quantistici. Questa intuizione è diventata la motivazione fondamentale per lo sviluppo dei computer quantistici.

Mentre la crittografia quantistica e l'algoritmo di Shor per fattorizzare numeri grandi hanno catturato l'attenzione pubblica, la simulazione molecolare rappresenta probabilmente l'applicazione più trasformativa del quantum computing. Molecole, materiali e reazioni chimiche sono governati da interazioni quantistiche tra elettroni e nuclei atomici, interazioni che diventano esponenzialmente complesse da calcolare all'aumentare del numero di particelle.

Un computer classico deve considerare tutte le possibili configurazioni degli elettroni in una molecola, un numero che cresce esponenzialmente. Per una molecola con appena 50 elettroni, le configurazioni possibili superano il numero di atomi nell'universo osservabile. Un computer quantistico, invece, può rappresentare questi stati sovrapposti naturalmente nei suoi qubit, riducendo drasticamente la complessità computazionale.

Drug discovery: dalla provetta al qubit
Lo sviluppo di nuovi farmaci è un processo estremamente costoso e dispendioso in termini di tempo. Portare un nuovo farmaco sul mercato richiede in media oltre un decenno e costi che superano il miliardo di dollari. Gran parte di questo tempo e denaro è speso nel trial and error: testare migliaia di composti sperando che uno si leghi al bersaglio biologico desiderato.

I computer quantistici promettono di rivoluzionare questo processo simulando precisamente come le molecole farmacologiche interagiscono con le proteine bersaglio nel corpo umano. Invece di sintetizzare e testare fisicamente migliaia di composti, i ricercatori potrebbero simulare queste interazioni in silico, o meglio, in qubit, identificando i candidati più promettenti prima ancora di entrare in laboratorio.

Aziende farmaceutiche come Roche, Biogen e Boehringer Ingelheim stanno già collaborando con compagnie di quantum computing come IBM, Google e IonQ per esplorare queste applicazioni. Nel 2020, Google ha dimostrato la simulazione di una reazione chimica semplice sul suo processore quantistico Sycamore, un primo passo verso simulazioni molecolari più complesse.

Le simulazioni quantistiche potrebbero accelerare la scoperta di antibiotici per combattere la resistenza antimicrobica, sviluppare farmaci personalizzati basati sul genoma individuale, e progettare terapie per malattie rare che oggi non sono economicamente convenienti da studiare con metodi tradizionali.

Materiali avanzati e catalizzatori
Oltre ai farmaci, la simulazione quantistica può rivoluzionare la scienza dei materiali. La progettazione di nuovi materiali con proprietà specifiche, come superconduttori ad alta temperatura, batterie più efficienti, o catalizzatori per produrre carburanti puliti, richiede una comprensione profonda delle interazioni elettroniche a livello quantistico.

Il processo Haber-Bosch per produrre ammoniaca dai fertilizzanti, cruciale per l'agricoltura globale, consuma circa il due percento dell'energia mondiale. Trovare un catalizzatore migliore potrebbe ridurre drasticamente questo consumo energetico, ma progettare catalizzatori richiede simulare interazioni quantistiche complesse tra molecole di azoto, idrogeno e superfici metalliche.

I computer quantistici potrebbero simulare migliaia di potenziali catalizzatori in settimane, identificando configurazioni atomiche ottimali che i chimici impiegherebbero decenni a scoprire sperimentalmente. Questo approccio è già stato applicato da ricercatori di Microsoft e Google che hanno simulato la fissazione dell'azoto, il primo passo verso catalizzatori più efficienti.

Altre applicazioni promettenti includono la progettazione di celle solari più efficienti simulando il trasferimento di elettroni nei materiali fotovoltaici, lo sviluppo di batterie allo stato solido con maggiore densità energetica, e la scoperta di nuovi magneti permanenti che non richiedono terre rare.

L'algoritmo variazionale quantistico
Gli algoritmi più promettenti per la simulazione chimica quantistica sono i Variational Quantum Eigensolvers e i Quantum Approximate Optimization Algorithms. Questi algoritmi ibridi combinano processori quantistici con computer classici, sfruttando i punti di forza di entrambi.

Il VQE prepara uno stato quantistico sul processore quantistico, misura l'energia del sistema, e usa un computer classico per ottimizzare i parametri dello stato quantistico iterativamente. Questo approccio è particolarmente adatto ai computer quantistici NISQ, i dispositivi quantistici a scala intermedia rumorosa disponibili oggi, che hanno un numero limitato di qubit e soffrono di errori.

Ricercatori hanno già usato il VQE per calcolare l'energia dello stato fondamentale di molecole semplici come l'idruro di litio e l'acqua con precisione competitiva rispetto ai metodi classici. Man mano che i processori quantistici migliorano, molecole progressivamente più grandi e complesse diventeranno simulabili.

Sfide e prospettive temporali
Nonostante il potenziale straordinario, la simulazione molecolare quantistica utile rimane una sfida formidabile. I computer quantistici attuali hanno troppi pochi qubit e troppi errori per simulare molecole di rilevanza farmacologica o industriale. Molecole biologicamente interessanti come le proteine richiedono centinaia o migliaia di qubit logici privi di errori.

La correzione degli errori quantistici è essenziale ma costosa: ogni qubit logico richiede centinaia o migliaia di qubit fisici per implementare i codici di correzione degli errori. I processori quantistici attuali hanno da decine a poche centinaia di qubit, ancora lontani dai milioni necessari per simulazioni veramente utili.

La maggior parte degli esperti prevede che computer quantistici praticamente utili per la chimica computazionale emergeranno tra 5 e 15 anni. Nel frattempo, algoritmi migliorati e hardware quantistico in rapido progresso continuano a spingere i confini di ciò che è simulabile.

Quando finalmente i computer quantistici raggiungeranno la maturità, permetteranno di simulare la natura stessa, aprendo prospettive rivoluzionarie per medicina, energia e materiali. La capacità di progettare molecole e materiali al computer, prevedendone accuratamente le proprietà prima della sintesi, trasformerà la chimica da scienza sperimentale a scienza predittiva, accelerando l'innovazione in modi oggi difficilmente immaginabili.

 

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