IBM porta il quantum computing nella chimica reale: creata e simulata la molecola “half-Moebius”

Una squadra di ricercatori provenienti da università britanniche, svizzere e tedesche, assieme ai ricercatori di IBM Research Europe, ha pubblicato un articolo su una nuova molecola la cui esistenza era stata finora solo ipotizzata. Ma questo non è il solo primato: per farlo, i ricercatori si sono avvalsi di un computer quantistico di IBM, dimostrando come sia già possibile usare questi dispositivi per fare scienza con scoperte reali e tangibili. Ne abbiamo parlato con Ivano Tavernelli, uno dei ricercatori di IBM che ha contribuito allo studio.

Una molecola particolare

La ricerca, pubblicata su Science e disponibile su arXiv, si è concentrata sulla molecola C13Cl2, caratterizzata da una forma ad anello. Contrariamente al caso del benzene, però, non è stato però necessario sognare l'uroboro per capirne la forma: la molecola è stata infatti costruita artificialmente usando un microscopio a forza atomica e manipolando i singoli atomi.

Tale molecola ha una proprietà che la rende "half-Moebius", ovvero una molecola "mezzo Moebius". Il nastro di Moebius è una superficie che si può costruire prendendo una striscia lunga di carta, capovolgendone un'estremità e unendola all'altra. Ciò che si ottiene è una superficie in cui un giro porta l'esterno a essere interno e viceversa, ed è dunque necessario effettuare due giri completi per tornare al punto di partenza.

Una molecola "half-Moebius" ha una configurazione topologica degli elettroni con una proprietà simile, ma che richiederà quattro giri per trovarsi di nuovo al punto di partenza, anziché due. Ogni giro, in altri termini, porterà a una rotazione di 90 gradi. Per visualizzare il concetto, si può immaginare di prendere un elastico a sezione quadrata e di arrotolarlo intorno a un dito: seguendo questo elastico "mezzo Moebius" intorno al dito si noterà che ruoterà di 90 gradi a ogni giro, per tornare dunque al punto iniziale (e alla "faccia" originaria) dopo quattro giri.

Ma qual è l'importanza di questa scoperta? "È più che altro fondamentale: riguarda l'esperimento fatto con questi strumenti, quindi con un microscopio a forza atomica. Si era poi ipotizzata l'esistenza di queste molecole, ma non si erano mai sintetizzate e questo è quello che il gruppo è riuscito a fare per la prima volta: realizzare nella pratica una molecola che esisteva solo in teoria", ci dice Tavernelli. "Se queste molecole abbiano delle applicazioni è più difficile da dire, perché sono molecole sintetizzate in condizioni molto particolari e a temperature molto basse. Non si può però escludere che un giorno possano venire stabilizzate e poi applicate per esempio nel quantum sensing, ma non ci sono ancora prove in questa direzione."

Il punto dello studio è che è uno di quei casi in cui si è realizzato qualcosa che prima non esisteva e che si pensava fosse solo un costrutto teorico. "È uno di quegli studi che possono cambiare i libri di testo", dice Tavernelli.

I computer quantistici come simulazione della natura

Ma l'ambito puramente chimico è solo una faccia della medaglia. L'altra è costituita dall'uso dei computer quantistici. È ormai nota la citazione di Richard Feynman che, durante una lezione, affermò che "la natura non è classica: se si vuole creare una simulazione della natura, bisogna farlo quantisticamente". E questo è proprio quello che i ricercatori hanno fatto: hanno usato un computer quantistico per simulare le caratteristiche della molecola "half-Moebius".

"Per la prima volta abbiamo dimostrato che è possibile fare la progettazione, la caratterizzazione di queste molecole usando un computer quantistico invece di uno classico. Questo vuol dire che è possibile fare della buona scienza, come scoprire una nuova molecola e pubblicarla su Science, usando un computer quantistico", dice Tavernelli.

Sulla sinistra, la densità della nube elettronica misurata con il microscopio a forza nucleare; sulla destra, la simulazione della stessa, realizzata usando un computer quantistico

Parlando di libri di testo, questo è probabilmente uno di quei momenti che verranno riportati su di essi: per la prima volta si è riusciti a usare un computer quantistico per fare una scoperta in ambito chimico. Bisogna però fare attenzione su un aspetto: non siamo ancora arrivati al punto in cui i computer quantistici hanno fatto qualcosa di irrealizzabile per quelli classici. "Vuol dire semplicemente che si può usare un computer quantistico per fare altrettanto bene che un approccio classico", spiega Tavernelli. "Potremmo arrivare al cosiddetto 'quantum advantage' [ovvero effettuare calcoli inarrivabili ai computer classici, NdR] migliorando l'efficienza dell'algoritmo quantistico e applicandolo a molecole ancora più complesse."

Per ora, il traguardo raggiunto è comunque importante: come sottolinea Tavernelli, "il valore [dello studio] è esattamente che siamo arrivati ad avere l'accuratezza sufficiente per fare della ricerca. A questo livello è comparabile con gli altri metodi classici; è superiore a molti metodi classici approssimati, e siamo arrivati a raggiungere il livello di quelli più sofisticati."

Un altro aspetto da sottolineare è più tecnico e tecnologico. Questo studio è una dimostrazione pratica del modello di cui IBM parla da qualche anno, ovvero il "quantum-centric supercomputing": una sinergia tra computer quantistici e supercomputer classici, in cui ciascuno esegue i calcoli in cui offre le migliori prestazioni. In questo caso, i risultati provenienti dal computer quantistico sono stati trasformati in matrici classiche, che sono state gestite tramite un supercomputer.

Il calcolo sarebbe stato effettuabile, in linea di principio, anche da un supercomputer classico, ma ciò avrebbe richiesto l'esplorazione di uno spazio combinatorio enorme (ovvero un numero molto elevato di possibili matrici) o l'impiego di approssimazioni. Il ruolo del dispositivo quantistico è stato invece di "scegliere" le matrici corrette (usando il gergo tecnico, tramite la campionatura del sottospazio rilevante e la costruzione della rappresentazione dell'hamiltoniana del sistema), riducendo così il tempo di calcolo pur mantenendo elevato il livello di affidabilità senza introdurre approssimazioni.

Lo sguardo al futuro, tra quantistica e IA

Il campo dove l'IA ha forse dimostrato finora di fare meglio e di offrire i migliori risultati è quello della scrittura di codice: i modelli linguistici si sono rivelati molto buoni nel programmare. Ciò ci ha portato a domandarci: immaginando di spostare in avanti le lancette dell'orologio di qualche anno, quale sarà l'impatto dell'uso dell'IA sulla programmazione per i computer quantistici? Quanto potrà l'IA aiutare i ricercatori a concentrarsi non tanto sugli aspetti di programmazione quantistica, ma su quelli legati specificamente al proprio settore?

"Ora ci sono molti strumenti che riescono a produrre anche nuovo software, spesso anche di qualità molto buona, basandosi su quello che è già disponibile (non dimentichiamo che [le IA] non inventano nulla di nuovo, mettono assieme pezzi esistenti). Lo stesso si applicherà al quantum? Penso di sì", ci dice Tavernelli. "C'è sicuramente spazio per nuovi algoritmi anche in questo spazio. Questi strumenti potranno probabilmente occuparsi della parte di coding, auspicabilmente in modo più efficiente di quanto facciamo noi, contribuendo così ad accelerare ulteriormente il "discovery loop", ovvero quel ciclo in cui si formula un'ipotesi, la si testa (con simulazioni o esperimenti) e la si aggiorna sulla base dei risultati, fino a raggiungere un modello accurato e predittivo della natura.

Del doman non v'è certezza, ma quello che resta è che è stato compiuto un importante e interessante passo in avanti verso quel futuro, di cui si parla da anni, in cui i computer quantistici diventeranno protagonisti nella ricerca scientifica. Questo studio dimostra che quel futuro è raggiungibile e, anzi, è già qui.