Il gruppo Google Quantum AI, guidato da Hartmut Neven, in collaborazione con numerosi istituti internazionali, ha presentato su Nature uno studio pionieristico dal titolo Observation of constructive interference at the edge of quantum ergodicity. La ricerca introduce un metodo sperimentale basato sulla misura degli out-of-time-order correlators (OTOC), una grandezza chiave per comprendere come l’informazione si diffonde in sistemi quantistici complessi. Gli OTOC sono correlatori che permettono di osservare la propagazione e l’intreccio dell’informazione quantistica nel tempo. In un sistema altamente entangled, le informazioni iniziali vengono “mescolate” — un processo noto come scrambling — rendendo difficile distinguere gli effetti genuinamente quantistici da quelli puramente classici. Per superare questo limite, i ricercatori hanno introdotto protocolli di inversione temporale che “riavvolgono” l’evoluzione del sistema, consentendo di recuperare tracce delle dinamiche originali.
Dall’ergodicità quantistica alla misura degli OTOC
Il cuore dell’esperimento consiste nell’utilizzo di un processore quantistico superconduttore di 105 qubit, progettato per eseguire sequenze controllate di operazioni reversibili. Gli autori hanno misurato OTOC di secondo ordine (OTOC(2)), ottenendo risultati che rimangono sensibili alla dinamica interna del sistema anche a tempi lunghi, dove le osservabili classiche cessano di fornire informazioni utili. Il lavoro mostra che OTOC(2) riesce a catturare forme di interferenza costruttiva tra differenti percorsi quantistici — rappresentati come “stringhe di Pauli” — che si combinano in modo coerente nel tempo. Questa interferenza, invisibile in correlazioni di ordine inferiore, rivela strutture profonde della meccanica quantistica e aumenta la complessità di simulazione classica del sistema, rendendolo inaccessibile anche ai supercomputer più potenti.
Interferenze a grande scala e complessità di simulazione
Gli esperimenti di Google hanno mostrato come gli OTOC(2) siano più sensibili a piccole perturbazioni rispetto alle osservabili convenzionali. Inserendo operatori di Pauli casuali in diversi punti dei circuiti quantistici, i ricercatori hanno potuto misurare il grado di interferenza quantistica su larga scala. I risultati indicano che le componenti “off-diagonal” degli OTOC(2) — associate a loop di interferenza di grande ampiezza — producono effetti che non possono essere riprodotti da simulazioni classiche, nemmeno con algoritmi Monte Carlo o reti tensoriali ottimizzate.
Un dato emblematico: la simulazione classica di un circuito di 65 qubit richiederebbe circa 3,2 anni di calcolo sul supercomputer Frontier, contro appena 2 ore di misura sperimentale sul processore quantistico di Google. Questo colloca l’esperimento nel regime “beyond classical”, segnando un passo concreto verso il vantaggio quantistico pratico.
Verso un vantaggio quantistico verificabile
Il team ha inoltre applicato gli OTOC(2) a un compito di apprendimento fisico, noto come Hamiltonian learning: un metodo per dedurre i parametri di un sistema quantistico reale confrontando i dati sperimentali con simulazioni quantistiche. In un test di prova, l’esperimento è riuscito a individuare con precisione un parametro di fase di un’operazione a due qubit, mostrando che gli OTOC possono essere impiegati per “imparare” le proprietà di sistemi fisici complessi, come quelli utilizzati nella risonanza magnetica nucleare (NMR).
Una finestra verso il futuro del calcolo quantistico
L’osservazione delle interferenze costruttive al margine dell’ergodicità quantistica rappresenta un progresso significativo nella fisica dei sistemi quantistici complessi. Grazie alla combinazione di alta sensibilità alle dinamiche interne e inaccessibilità alla simulazione classica, gli OTOC(2) si candidano come strumenti ideali per dimostrare un vantaggio quantistico robusto e verificabile.
Sebbene gli autori definiscano i circuiti utilizzati “modelli giocattolo”, il metodo proposto apre nuove possibilità per studiare e controllare la dinamica quantistica in sistemi reali, avvicinando la fisica sperimentale al traguardo tanto atteso: un quantum computer capace di superare definitivamente i limiti del calcolo classico.
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