In un laboratorio dell’Università di Sydney, con un singolo ione intrappolato in un chip, si è compiuto un passo fondamentale verso un futuro in cui i computer quantistici potranno decifrare la chimica più complessa dell’universo. Per la prima volta, è stata simulata in tempo reale l’interazione tra luce e molecole reali grazie a una tecnologia quantistica. Un’impresa resa possibile dal lavoro del professore di chimica quantistica Ivan Kassal e del ricercatore Tingrei Tan, all’interno del Nanoscience Hub dell’ateneo australiano.
Diversamente da quanto accaduto finora, in cui le simulazioni si erano limitate a proprietà statiche come i livelli energetici molecolari, questo nuovo approccio ha permesso di osservare le trasformazioni che avvengono su scale temporali ultraveloci, tipiche dei processi fotonici. In pratica, gli scienziati sono riusciti a vedere come si modificano i legami chimici quando una molecola viene colpita dalla luce, una dinamica che sfida anche i più potenti supercomputer tradizionali.
Per chiarire l’importanza del risultato, Kassal ha usato una metafora escursionistica: conoscere punto di partenza, vetta e dislivello è utile, ma sapere il percorso esatto che si compie minuto per minuto è tutt’altra cosa. Con questa analogia ha spiegato come ora, grazie a questa simulazione, è possibile osservare non solo lo stato iniziale e finale di una reazione, ma ogni istante intermedio.
Il potenziale applicativo è vastissimo. Comprendere con maggiore precisione i meccanismi che regolano le reazioni fotochimiche potrebbe portare a miglioramenti nei pannelli solari, nei farmaci antitumorali basati sulla terapia fotodinamica, nelle protezioni solari e persino nello studio dei danni al DNA causati dai raggi UV. Processi come la fotosintesi e la fotocatalisi, ancora in parte misteriosi, potrebbero diventare più comprensibili grazie a simulazioni di questo tipo.
La tecnica impiegata è sorprendentemente efficiente: invece di usare costosi e ingombranti computer quantistici digitali, gli studiosi hanno adottato un approccio analogico con un solo ione intrappolato, risparmiando milioni di operazioni computazionali. Secondo Kassal, un’analoga simulazione fatta con metodi più tradizionali avrebbe richiesto almeno 11 qubit perfetti e 300.000 porte quantistiche entangled, un’impresa ancora fuori portata con la tecnologia attuale. Il nuovo metodo, al contrario, è risultato circa un milione di volte più efficiente in termini di risorse.
Il lavoro si fonda su una precedente ricerca del 2023, in cui il team era riuscito a rallentare le dinamiche quantistiche di un fattore di 100 miliardi per simularle con maggiore controllo. Questa volta, però, si è andati oltre i modelli astratti e generici, simulando molecole vere e proprie come allene (C₃H₄), butatriene (C₄H₄) e pirazina (C₄N₂H₄), che hanno mostrato chiaramente le potenzialità di questa tecnica per la chimica del mondo reale.
Il risultato, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, rappresenta uno spartiacque per la simulazione molecolare e suggerisce che anche molecole molto più complesse potranno essere esplorate con questo tipo di tecnologie, superando finalmente i limiti dei calcoli classici.
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