Ashlesha Patil, dottoranda presso il Wyant College of Optical Sciences dell’Università dell’Arizona e il Center for Quantum Networks, ospitato dall’università e finanziato dalla National Science Foundation, ha presentato il progetto del puzzle in occasione di un incontro virtuale dell’American Physical Society il 22 marzo. Il progetto è stato realizzato sotto la supervisione di Saikat Guha, direttore del Center for Quantum Networks e professore presso il Wyant College of Optical Sciences, e di Don Towsley, professore presso l’Università del Massachusetts Amherst.

Patil paragona il gioco al tangram, un rompicapo inventato in Cina alla fine del 1700. Questo gioco include sette pezzi di puzzle, ognuno con una forma e una dimensione geometrica specifiche. Anche con soli sette pezzi, ci sono più di 1 miliardo di modi possibili per disporli.

“Il nostro gioco è molto simile al tangram perché i giocatori sono sfidati a disporre blocchi colorati su una griglia”, ha detto Patil. “Il gioco non è esattamente un ‘vero’ calcolo quantistico, ma piuttosto uno strumento didattico per insegnare agli studenti – e persino agli scienziati – un modo non convenzionale e basato sulla misurazione per mappare i circuiti quantistici.”

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Patil e il suo compagno di squadra Yosef Jacobson, uno studente universitario con doppia specializzazione in informatica e progettazione e sviluppo di videogiochi, hanno quasi concluso la fase di sviluppo del gioco per computer. Stanno aspettando piccole modifiche estetiche prima che il gioco venga testato da un’ampia gamma di utenti. La versione attuale è progettata per istruire gli studenti delle scuole medie e superiori, e Patil ritiene che il gioco possa aiutare a preparare la prossima generazione a costruire e ottimizzare i computer quantistici.

“Il settore dell’informazione quantistica è in crescita e necessita di una forza lavoro formata in teoria quantistica”, ha affermato Patil, aggiungendo che i computer quantistici hanno il potenziale per modellare atomi e molecole in modi estremamente utili per diverse applicazioni, tra cui nuovi tipi di farmaci, batterie, fertilizzanti e fonti di energia.

“Anche se un giocatore non dovesse intraprendere una carriera legata al calcolo quantistico, speriamo che questo gioco possa ispirarlo a intraprendere un campo legato alle materie STEM”, ha concluso Patil. “La nostra speranza è che questo gioco possa suscitare entusiasmo per la scienza, in generale, tra i giovani studenti.”

Trascina e rilascia: i giocatori modellano circuiti quantistici

I computer convenzionali si basano sulle cariche elettriche per codificare le informazioni, tipicamente rappresentate da numeri uno e zero, che a loro volta codificano i bit. I computer quantistici, invece, utilizzano bit quantistici, o “qubit”, che possono assumere simultaneamente lo stato zero e uno finché lo stato non viene effettivamente misurato, una proprietà chiamata sovrapposizione. Per questo motivo, gruppi di qubit possono rappresentare molte più combinazioni rispetto ai bit dei computer classici.

Gli stati di bit e qubit possono essere modificati da hardware chiamati “porte”. Tutti i dispositivi digitali utilizzano porte nei loro circuiti informatici.

“Un computer classico utilizza porte, come la porta NOT, che converte un bit zero in un bit uno”, ha spiegato Patil. “Analogamente, esistono porte quantistiche che agiscono simultaneamente su uno o più qubit per modificarne lo stato, rappresentati dai pezzi del puzzle nel nostro gioco.”

Che i giocatori ne siano consapevoli o meno, stanno modellando un circuito quantistico trascinando e rilasciando blocchi colorati – porte quantistiche – sulla griglia di gioco, dove ogni linea orizzontale rappresenta un qubit. A ogni round, viene generato un circuito quantistico casuale e all’utente viene chiesto di disporre le porte per quel circuito quantistico seguendo regole specifiche. Queste regole sono regolate da un modello di computazione quantistica basato su misurazioni, abbreviato in MBQC.

“Un modo per implementare questo gioco è lasciare che gli studenti si divertano prima con il gioco, per poi spiegare in seguito cosa hanno effettivamente realizzato”, ha affermato Patil. “In questo modo, anche gli studenti più giovani possono acquisire una comprensione più intuitiva del modello senza dover conoscere tutti i dettagli tecnici.”

L’obiettivo del gioco, a cui partecipa un giocatore alla volta, è coprire la minor quantità di area possibile allineando i blocchi del puzzle o le porte quantistiche. Se il giocatore risolve con successo il circuito, riceve un punteggio basato su quanto “strettamente” è riuscito a comporre i blocchi e quindi a risolvere il puzzle.

Il gioco si basa sul modello MBQC, che tiene conto di un’altra peculiarità del mondo quantistico estremamente difficile da conciliare con la nostra esperienza quotidiana: l’entanglement.

“L’entanglement è un fenomeno quantistico in cui le particelle sono ‘connesse’, anche a grandi distanze”, ha affermato Patil. “Ciò significa che una certa proprietà fisica delle particelle è completamente correlata, quindi se si misura la proprietà fisica di una particella, è possibile determinare la proprietà dell’altra particella.”

Per eseguire calcoli utilizzando il modello MBQC, i ricercatori inizialmente preparano più qubit già bloccati in uno stato di entanglement. Quindi procedono a ritroso utilizzando le misurazioni, o se il qubit risulta essere zero o uno, sui qubit entangled per implementare le porte.

“MBQC non è un modello molto intuitivo perché differisce notevolmente dal modo in cui comprendiamo i computer classici”, ha affermato Patil. “Anche gli scienziati della comunità di ricerca quantistica lo conoscono meno, ed è per questo che abbiamo sviluppato questo gioco.”

Convenzionalmente, i ricercatori si concentrano sulle porte quantistiche quando rappresentano il calcolo quantistico in un modello diverso chiamato modello circuitale. Questo metodo è strettamente correlato ai computer classici.

“Il nostro gioco prende la parte intuitiva di un modello circuitale classico – le porte quantistiche – e le mappa in blocchi di puzzle che rappresentano le misurazioni nel modello MBQC”, ha affermato Patil. “Questo riduce parte della confusione che deriva dalla comprensione delle misurazioni MBQC, rendendo il modello più facile da comprendere.”

Come il secolare tangram, il gioco per computer sviluppato dagli studenti offre numerose possibilità.

“Una mappatura ottimale di un circuito quantistico per il calcolo quantistico basato sulle misurazioni è un problema aperto che non è stato ancora completamente risolto”, ha affermato Patil. “Stiamo ancora cercando di capire il modo migliore per ‘impacchettare’ i blocchi del puzzle nel modo più efficiente per i circuiti quantistici reali. Soprattutto quando ci sono molti qubit, le cose si complicano.”

Il progetto del gioco è stato finanziato da una borsa di studio per lo sviluppo della forza lavoro ingegneristica che Patil ha ricevuto dal Center for Quantum Networks, o CQN. L’Università dell’Arizona ha ricevuto 26 milioni di dollari nell’ambito del programma Engineering Research Center della National Science Foundation nel settembre 2020 per istituire il centro, che è supportato anche dal Dipartimento dell’Energia.

Il CQN sta gettando le basi tecniche della prima rete quantistica statunitense in grado di distribuire informazioni quantistiche ad alta velocità su lunghe distanze. Oltre a questi obiettivi tecnologici, il centro dà priorità alla sensibilizzazione degli studenti a livello comunitario, offrendo loro opportunità nella ricerca quantistica.

“La nostra sensibilizzazione si concentra principalmente sulle aree a basso reddito dell’Arizona, dove gli studenti non hanno mai incontrato scienziati prima”, ha affermato Patil. “Come potete immaginare, gli studenti sono molto emozionati di vedere gli scienziati del CQN.”

Una volta completato il videogioco, Patil spera che venga incluso nelle attività di sensibilizzazione e che alla fine raggiunga gli studenti nelle aule di tutto il paese.