Una collaborazione tra Lockheed Martin e IBM ha segnato un passo avanti significativo nell'applicazione concreta del calcolo quantistico, riuscendo a modellare per la prima volta con alta precisione la struttura elettronica di molecole open-shell, in particolare il metilene (CH₂). Si tratta della prima dimostrazione dell'efficacia della tecnica denominata Sample-based Quantum Diagonalization (SQD) applicata a sistemi chimici aperti, secondo quanto riportato in un comunicato ufficiale.
Nel campo della chimica quantistica, comprendere il comportamento degli elettroni in molecole complesse è essenziale per prevedere reattività, stabilità e proprietà magnetiche. Tuttavia, le molecole open-shell, caratterizzate da elettroni spaiati, presentano una sfida enorme per la modellazione con i metodi classici: la complessità cresce esponenzialmente con il numero di elettroni coinvolti, rendendo il problema intrattabile anche per i supercomputer più potenti.
Il metilene, composto da un atomo di carbonio e due di idrogeno, è una di queste molecole problematiche. Nella sua forma fondamentale adotta una configurazione elettronica detta tripletto, con due elettroni non accoppiati e con spin parallelo. Al contrario, nello stato eccitato noto come singoletto, gli elettroni risultano accoppiati e un orbitale rimane vuoto. Questo comportamento inverso – in cui lo stato tripletto è energeticamente più stabile dello stato singoletto – rappresenta una sfida particolarmente difficile da simulare.
Utilizzando un processore quantistico IBM da 52 qubit, in grado di eseguire fino a 3.000 operazioni a due qubit per esperimento, i ricercatori hanno unito capacità di calcolo ad alte prestazioni e strumenti quantistici per analizzare con estrema precisione la differenza di energia tra i due stati del metilene. L'approccio SQD ha permesso di determinare anche i valori di energia di dissociazione e gli intervalli tra stati energetici, elementi chiave per prevedere il comportamento chimico della molecola.
Questi risultati non hanno solo valore teorico. Molecole come il metilene sono centrali per settori applicativi strategici come la chimica della combustione e l’ingegneria aerospaziale. Simulare correttamente la loro dinamica può contribuire alla progettazione di motori più efficienti e materiali innovativi.
Inoltre, l'esperimento rappresenta una concreta dimostrazione delle potenzialità già attuali del calcolo quantistico, che finora era rimasto in gran parte relegato a promesse futuristiche. L’unione tra algoritmi quantistici e simulazioni classiche ad alta precisione apre la strada a nuove applicazioni scientifiche e industriali, soprattutto laddove i metodi convenzionali non sono più sufficienti.
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