Methylamine su un computer quantistico: è davvero possibile?

I ricercatori hanno cercato di rendere più semplice la simulazione di molecole su computer quantistici. Usano il Variational Quantum Eigensolver, o VQE, un algoritmo che combina la potenza dei qubit con l’ottimizzazione classica. Il problema è che le simulazioni richiedono moltissimi “gate” a due qubit, operazioni costose per le macchine attuali.

Il team ha provato diverse strategie per tagliare questi costi. Prima, hanno sfruttato le simmetrie dei gruppi puntuali delle molecole, cioè le loro forme geometriche ricorrenti. Poi, hanno creato circuiti di eccitazione più compatti, scegliendo solo le transizioni più importanti. Hanno anche usato il “qubit tapering”, una tecnica che elimina qubit inutili grazie a simmetrie nascoste.

Testando su piccole molecole come LiH e BeH2, le idee hanno funzionato. Quando le hanno applicate alla metilammina, una molecola più complessa, il risultato è stato sorprendente: il numero di gate a due qubit è sceso da circa 600.000 a 12.000. Anche l’acido formico ha beneficiato di una riduzione simile.

Questi numeri mostrano che, con le giuste ottimizzazioni, le simulazioni chimiche su computer quantistici possono diventare realistiche. Il passo successivo sarà costruire hardware capace di gestire questi circuiti più snelli e testare altre molecole biologicamente rilevanti.

Il Variational Quantum Eigensolver (VQE) è un algoritmo ibrido che minimizza l’energia di uno stato quantistico mediante una parametrizzazione variazionale della funzione d’onda. In pratica, un circuito quantistico prepara uno stato candidato, mentre un algoritmo classico aggiusta i parametri per ridurre l’energia attesa, calcolata tramite misurazioni ripetute.

Nel caso della metilammina, la sfida principale è la dimensione dell’Hilbert space: con 26 qubit attivi, il numero di configurazioni possibili è astronomico (2^26 ≈ 67 milioni). Per gestire questa complessità, i ricercatori hanno introdotto il “qubit tapering” basato su simmetrie di conservazione del numero di elettroni e della spin‑parità. Queste simmetrie permettono di fissare alcuni qubit a valori costanti, riducendo il numero di qubit liberi da 26 a circa 20, senza perdere informazioni fisiche.

Un altro aspetto cruciale è la scelta dell’ansatz. Gli autori hanno confrontato l’ansatz UCCSD (Unitary Coupled Cluster with Singles and Doubles) tradizionale con versioni “symmetry‑adapted” che includono solo eccitazioni compatibili con il gruppo puntuale della molecola (C_s per la metilammina). Questo taglio riduce drasticamente il numero di parametri e di porte a due qubit, poiché molte eccitazioni proibite vengono eliminate a priori.

Le simulazioni preliminari su LiH e BeH2 hanno mostrato una riduzione del 90% nel conteggio dei due‑qubit gate, confermando la validità delle tecniche. Applicate alla metilammina, le ottimizzazioni hanno portato il conteggio da ~600.000 a ~12.000 gate, una riduzione di due ordini di grandezza. L’analisi delle risorse ha anche considerato la profondità del circuito, la tolleranza agli errori e il tempo di esecuzione stimato su hardware superconducting.

Questi risultati suggeriscono che, combinando simmetrie molecolari, ansatz compatti e qubit tapering, è possibile avvicinarsi a simulazioni chimiche realistiche su hardware quantistico di prossima generazione, aprendo la strada a studi di reazioni catalitiche e processi biochimici complessi.