Large-scale quantum simulations of dissipative spin-1/2 Heisenberg chains

Negli angoli silenziosi dell'universo, la materia raramente resta perfettamente immobile. Anche quando un sistema sembra calmo, è spesso in una costante, sottile lotta tra le proprie regole interne e l'influenza caotica del suo ambiente circostante. Quando una collezione di minuscole particelle, come gli spin degli atomi, interagisce con un ambiente rumoroso, non si assesta semplicemente in uno stato pacifico e prevedibile come farebbe in un vuoto perfettamente isolato. Al contrario, può rilassarsi in una condizione stazionaria unica che esiste solo grazie a questo costante attrito e alla perdita di energia. Questo è uno stato di "non equilibrio", un equilibrio dinamico dove l'ordine può emergere dal caos in modi impossibili in un sistema chiuso. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di mappare le regole che governano questi stati, in particolare per le catene di atomi magnetici, ma la matematica coinvolta è così incredibilmente complessa che persino i supercomputer più potenti hanno faticato a trovare le risposte. Il problema è che descrivere come questi sistemi perdono energia richiede di tracciare non solo le particelle, ma la probabilità di ogni possibile disposizione in cui potrebbero trovarsi, un compito che diventa esponenzialmente difficile man mano che il sistema si ingrandisce.

Un team di ricercatori si è ora rivolto a un tipo diverso di macchina per risolvere questo enigma: un computer quantistico. A differenza dei computer classici che elaborano le informazioni in modo lineare e sequenziale, i computer quantistici utilizzano le strane proprietà della meccanica quantistica per simulare direttamente altri sistemi quantistici. In uno studio recente, gli scienziati hanno utilizzato un processore quantistico superconduttore per simulare una lunga catena di cinquanta atomi magnetici che interagiscono con un ambiente rumoroso. Sono stati in grado di osservare come questa catena si evolvesse nel tempo e infine si assestasse in uno stato stazionario. Eseguendo la simulazione su un dispositivo con fino a cento bit quantistici attivi, hanno mappato un panorama dettagliato di come questi sistemi si comportano sotto diverse condizioni. Il loro lavoro rivela un mondo ricco e sorprendente di schemi magnetici, mostrando che gli stati stazionari formati da queste catene sono molto più compliati e variati di quanto le teorie precedenti avessero previsto.

I ricercatori si sono concentrati su un modello specifico di atomi magnetici disposti in linea, dove ogni atomo interagisce con i propri vicini e contemporaneamente perde energia verso l'ambiente circostante. In passato, gli scienziati si affidavano a teorie semplificate che assumevano che ogni atomo percepisse solo l'influenza media dei suoi vicini, proprio come una persona in una folla che reagisce solo all'umore generale piuttosto che alle singole conversazioni. Questi modelli semplificati prevedevano un set specifico di comportamenti magnetici, inclusi schemi in cui tutti gli spin puntano nella stessa direzione, schemi in cui alternano la direzione e uno stato disordinato in cui puntano casualmente. Tuttavia, queste teorie spesso discordavano tra loro quando applicate a sistemi più grandi, e nessuno poteva affermare con certezza quale immagine fosse quella corretta perché i calcoli erano troppo pesanti per i computer tradizionali.

Per aggirare queste limitazioni, il team ha programmato un processore quantistico per mettere in scena la fisica del sistema passo dopo passo. Hanno simulato una catena di cinquanta siti, il che richiedeva cento bit quantistici per rappresentare sia gli atomi che l'ambiente con cui interagiscono. La simulazione è stata eseguita per una lunga durata, permettendo al sistema di evolversi fino a raggiungere una condizione stabile. Un'intuizione chiave di questo lavoro è che la natura stessa del sistema aiuta a proteggere la simulazione dagli errori. Poiché il sistema perde costantemente energia verso il suo ambiente, esso dimentica naturalmente gli errori che avvengono durante il calcolo. Il rumore dell'hardware agisce come una debole forza competitiva che sposta leggermente lo stato finale, ma non sconvolge gli schemi magnetici sottostanti. Questa caratteristica di autocorrezione ha permesso ai ricercatori di eseguire la simulazione abbastanza a fondo da vedere il vero comportamento del sistema, anche su un hardware che non è ancora perfetto.

I risultati hanno dipinto un quadro dettagliato delle fasi magnetiche che emergono in questo sistema. I ricercatori hanno misurato come gli spin in diversi punti lungo la catena fossero correlati tra loro, cercando schemi specifici che indicano diversi tipi di ordine magnetico. Hanno trovato chiare evidenze di stati ferromagnetici, dove gli spin si allineano nella stessa direzione, e stati antiferromagnetici, dove alternano la direzione. Hanno anche osservato un modello più complesso noto come onda di densità di spin, dove l'ordine magnetico si sposta gradualmente lungo la catena. Forse in modo più sorprendente, hanno scoperto che lo stato disordinato e casuale previsto dalle vecchie teorie è in realtà molto limitato in questo sistema. Inveve di una grande regione centrale di disordine, il sistema tende a organizzarsi in questi vari schemi ordinati, con lo stato casuale che appare solo in una stretta fascia dove le interazioni tra gli atomi sono perfettamente bilanciate.

Lo studio ha anche svelato un sottile artefatto del metodo di simulazione stesso. Negli angoli della mappa in cui le interazioni tra gli atomi sono molto forti, i ricercatori hanno rilevato l'emergere di un nuovo schema incipiente che non faceva parte del modello originale che intendevano studiare. Questo schema è emerso dal modo in cui la simulazione è stata suddivisa in piccoli passi temporali, un compromesso necessario nell'informatica quantistica digitale. Inve invece di liquidarlo come un difetto, i ricercatori hanno riconosciuto che questi effetti "indotti da Trotter" aggiungono efficacemente nuovi tipi di interazioni al sistema. Ciò suggerisce che, controllando attentamente i passi della simulazione, gli scienziati potrebbero essere in grado di progettare specifiche fasi magnetiche che sono difficili da creare altrimenti, trasformando una potenziale fonte di errore in uno strumento di scoperta.

Raccogliendo dati da centodiciassette diversi punti attraverso l'intervallo delle possibili interazioni, il team ha costruito un diagramma di fase completo che funge da nuovo punto di riferimento per il settore. Le loro scoperte risolvono ampiamente la lunga incertezza su come si comportano questi sistemi dissipativi, mostrando che la realtà è un panorama di crossover tra diversi stati ordinati piuttosto che confini netti e distinti. Questo lavoro dimostra che i computer quantistici sono maturati al punto da poter affrontare questioni scientifiche che erano precedentemente fuori portata, in particolare quelle che coinvolgono sistemi che interagiscono costantemente con il loro ambiente. Offre uno sguardo su un futuro in cui queste macchine possono aiutarci a comprendere la natura complessa, rumorosa e dinamica del mondo quantistico, andando oltre gli scenari idealizzati per esplorare la realtà disordinata di come la materia si comporta realmente.