Towards Quantum Computation of Bulk FeO

Nel profondo dei nuclei dei pianeti e nella luce di stelle lontane, gli ossidi di ferro recitano un ruolo da protagonisti. Questi materiali, formati quando il ferro si lega all'ossigeno, non sono solo ruggine; sono sistemi complessi dove gli elettroni interagiscono così fortemente da creare comportamenti impossibili da prevedere con i modelli informatici standard. Per decenni, gli scienziati hanno lottato per calcolare le proprietà esatte di questi materiali, come la loro forza magnetica o il modo in cui assorbono la luce, perché la matematica coinvolta diventa troppo vasta anche per i supercomputer più potenti. È qui che l'informatica quantistica entra in gioco. A differenza dei computer tradizionali che elaborano le informazioni in modo lineare, i computer quantistici utilizzano le strane leggi della fisica per esplorare molte possibilità contemporaneamente, offrendo una potenziale scorciatoia per risolvere questi difficili enigmi elettronici. Tuttavia, le attuali macchine quantistiche sono ancora nelle loro fasi iniziali, rumorose e limitate nelle dimensioni, rendendo incerto se possano già affrontare il lavoro pesante richiesto per i materiali del mondo reale.

Un team di ricercatori si è recentemente proposto di testare se questi strumenti quantistici emergenti potessero gestire un caso specifico e impegnativo: la molecola di ossido di ferro. Si sono concentrati su due forme, una semplice coppia di atomi di ferro e ossigeno, e un cluster leggermente più grande di due atomi di ferro e due di ossigeno. Per rendere il problema gestibile per le macchine odierne, gli scienziati hanno prima utilizzato un metodo ben consolidato chiamato teoria del funzionale della densità per creare una mappa semplificata degli elettroni della molecola. Questa mappa, nota come modello a bassa energia, cattura la fisica essenziale di come gli elettroni si muovono e si respingono senza la necessità di tracciare ogni singolo dettaglio dell'interno dell'atomo. Hanno poi inserito questo modello in un computer quantistico per trovare lo stato fondamentale della molecola, ovvero la configurazione di energia più bassa che il sistema può occupare. Questo stato determina le proprietà fondamentali del materiale, come il suo magnetismo.

I ricercatori hanno impiegato due diverse strategie per trovare questo stato fondamentale. La prima, nota come Variational Quantum Eigensolver, agisce come un processo di tentativi ed errori in cui il computer quantistico ipotizza una soluzione e un computer classico aiuta a perfezionarla. Il secondo approccio, chiamato Sample-based Quantum Diagonalization, utilizza il computer quantistico non per trovare direttamente la risposta finale, ma per identificare i pezzi più importanti del puzzle. Esso scatta un'istantanea dello stato quantistico, seleziona le configurazioni più significative e poi consegna quei pezzi specifici a un computer classico per risolverli esattamente. Quando hanno testato il primo metodo da solo, questo ha faticato a raggiungere l'alto livello di precisione necessario per l'accuratezza chimica, che è il gold standard per prevedere come si comportano le molecole. L'hardware rumoroso del computer quantistico e la complessità del problema hanno impedito di trovare la risposta perfetta autonomamente.

Tuttavia, il secondo metodo si è rivelato straordinariamente efficace. Utilizzando il computer quantistico per selezionare le configurazioni più rilevanti e risolvendo poi il resto in modo classico, il team è riuscito a recuperare l'energia dello stato fondamentale esatto per entrambe le molecole. Per la coppia di ossido di ferro più semplice, il metodo ha funzionato con un'efficienza sorprendente, utilizzando una frazione minuscola degli stati possibili per ricostruire l'immagine completa. Anche per il cluster più grande e complesso, l'approccio ha identificato con successo lo stato magnetico corretto, che si è rivelato essere una configurazione a nove volte, diversamente da alcuni calcoli precedenti ad alta accuratezza che prevedevano uno stato a sette volte. Questa differenza è derivata dal fatto che i ricercatori hanno utilizzato parametri di interazione specifici per garantire la coerenza tra i loro modelli, evidenziando quanto siano sensibili questi sistemi ai dettagli della loro configurazione.

Lo studio dimosta che, sebbene l'attuale hardware quantistico non possa ancora risolvere questi problemi interamente da solo, può fungere da potente guida. Combinando la capacità delle macchine quantistiche di campionare stati complessi con la precisione dei computer classici, gli scienziati possono ora affrontare problemi che prima erano fuori portata. I risultati suggeriscono che questo approccio ibrido offre una via percorribile per comprendere l'ossido di ferro massivo e altri materiali fortemente correlati. Invece di aspettare computer quantistici perfetti e privi di errori, i ricercatori possono ora usare queste macchine imperfette per informare e accelerare i calcoli, portando il sogno di simulare complessi materiali geologici e astrofisici un passo più vicino alla realtà.