Simulazione Quantistica e Termodinamica di sistemi complessi
I dispositivi quantistici, come computer quantistici digitali e macchine termiche quantistiche, stanno ridefinendo i confini della tecnologia, promettendo risultati impossibili da raggiungere per le controparti classiche.
Da una parte, la simulazione di modelli complessi può avvenire tramite una mappatura del problema originale su quantum hardware, consentendo in prospettiva di risolvere la dinamica di sistemi attualmente intrattabili da super-computer classici, come teorie non-perturbative di cromodinamica quantistica, oppure sistemi fisici a molti corpi in cui le interazioni tra i costituenti elementari risultano essere le scale di energia dominanti. Questo campo, definito di Quantum Simulations, è considerato tra i più promettenti per raggiungere il cosiddetto quantum advantage, ovvero un caso comprovato in cui una macchina quantistica è in grado di simulare efficientemente qualcosa che non si può simulare classicamente.
In parallelo, i sistemi quantistici consentono di ottenere risultati termodinamici che possono in linea di principio superare le barriere delle macchine termiche classiche, ridefinendo un nuovo paradigma di quantum advantage. Per trasformare questa promessa in realtà, è cruciale imparare a controllare e simulare con accuratezza la loro dinamica reale: non esiste isolamento perfetto e l’interazione con l’ambiente tende a degradare, in modo irreversibile, coerenza e correlazioni quantistiche. Su scala nanoscopica, le fluttuazioni di tutte le quantità misurabili diventano estremamente rilevanti ed incidono direttamente su prestazioni e affidabilità di questi dispositivi quantistici. Ottenere precisione e ridurre le fluttuazioni non è “gratis”: ogni protocollo di simulazione, misura e controllo comporta un Costo Termodinamico in termini di energia, dissipazione e irreversibilità. Questo campo, definito Quantum Thermodynamics, mira a comprendere e a minimizzare tali costi, un obiettivo essenziale per progettare la prossima generazione di tecnologie quantistiche efficienti.
Linee principali di ricerca:
• Simulazione quantistica della dinamica di modelli complessi: protocolli per mappare la dinamica di un modello non-perturbativo in algoritmo quantistico eseguibile su computer quantistici digitali, sia near-term (NISQ che in prospettiva fault-tolerant.
• Preparazione ed evoluzione di stati quantistici aperti: protocolli per generare, stabilizzare e manipolare stati quantistici in presenza di rumore, dissipazione e misura, con attenzione ad efficienza, implementabilità e robustezza.
• Geometria termodinamica e demone di Maxwell quantistico (livello stocastico): limiti fondamentali e protocolli ottimali che collegano informazione, misura e feedback a dissipazione e precisione; analisi a livello di traiettoria di lavoro, calore e fluttuazioni.
• Termometria quantistica: strategie e limiti ultimi per stimare temperatura e parametri ambientali con sonde quantistiche, quantificando i compromessi tra precisione, tempo e risorse energetiche.
• Modelli collisionali e batterie quantistiche: descrizioni microscopiche e modulari di sistemi aperti (dinamiche markoviane e non-markoviane), applicate anche allo stoccaggio e al rilascio di energia in batterie quantistiche, bilanciando potenza, efficienza e fluttuazioni.
Responsabili: Dario Gerace, Giacomo Guarnieri, Chiara Macchiavello
Membri del gruppo: Luca Razzoli, Davide Cugini, Gaia Candreva, Francesco Ghisoni, Davide Rinaldi, Emanuele Tumbiolo