Impegno totale nello sport e nella scienza

Quando Bettina Heim fa qualcosa, dà il massimo. Fino a pochi anni fa si dedicava al pattinaggio artistico. ? diventata campionessa svizzera, ha partecipato ai campionati mondiali e ha completato con successo la sua formazione come allenatrice. Ha appeso i pattini al chiodo ben tre anni fa e da allora studia fisica all'ETH di Zurigo, e anche in questo caso con un impegno totale: si è impegnata a tal punto in un lavoro di semestre del suo corso di laurea triennale, che di solito richiede tre settimane per essere completato, che ora è riuscita a pubblicare i suoi risultati sulla famosa rivista Science.

Nell'intervista, Bettina Heim rende omaggio al team guidato da Matthias Troyer, professore di fisica computazionale, in cui ha svolto il lavoro. I suoi colleghi le hanno dato un eccellente supporto e hanno contribuito in modo significativo al suo lavoro, afferma l'autrice. Tuttavia, è insolito per uno scienziato riuscire a pubblicare il primo lavoro della propria carriera in una posizione così importante, soprattutto all'età di 26 anni e durante la laurea triennale. "Ho dovuto pubblicare più di 30 articoli prima che uno venisse accettato da una rivista con una reputazione così alta. All'epoca avevo 34 anni", racconta l'ETH Troyer, che ha supervisionato il talentuoso studente.

Il computer quantistico non è più veloce

Nel suo lavoro, Bettina Heim ha trovato una spiegazione al perché D-Wave, un nuovo tipo di macchina di calcolo molto discusso che utilizza effetti fisici quantistici, non risolve alcuni problemi di calcolo più velocemente di un computer convenzionale.

Sulla base di simulazioni, molti esperti si aspettavano che alcuni problemi di ottimizzazione matematica potessero essere risolti più rapidamente su computer quantistici come D-Wave. Gli scienziati si riferiscono a questa accelerazione attraverso gli effetti quantistici come "accelerazione quantistica". Tra i problemi matematici che ne trarrebbero vantaggio vi sono la pianificazione di una rotta aerea o l'ottimizzazione di un portafoglio titoli. L'azienda canadese D-Wave ha costruito un ottimizzatore quantistico di questo tipo tre anni fa, probabilmente soprattutto a causa delle promettenti previsioni.

I calcoli di simulazione hanno dei limiti

Tuttavia, il dispositivo si è rivelato non più veloce - e in alcuni compiti addirittura significativamente più lento - di un computer convenzionale, come ha dimostrato Matthias Troyer l'anno scorso. Sebbene il professore dell'ETH abbia vinto una scommessa con un blogger scientifico per un gallone di sciroppo d'acero canadese, questo ha anche rivelato una presunta contraddizione tra simulazione ed esperimento (il dispositivo). Heim ha esaminato più da vicino i calcoli della simulazione ed è riuscito a risolvere la presunta contraddizione: Le simulazioni utilizzate per ricreare gli effetti quantistici sui computer convenzionali hanno i loro limiti, ha concluso.

"La simulazione può essere visualizzata come un sistema di particelle che giace in un paesaggio con montagne e valli", spiega Heim. Il problema di ottimizzazione da risolvere consiste nel trovare il punto più basso di questo paesaggio, in cui le particelle possono superare le montagne o - se sono ammessi effetti quantistici - passare sotto di esse"."Le strade percorse dalle particelle sono descritte nella simulazione in forma semplificata come un percorso a zig-zag, definito da un numero limitato di punti di riferimento.

"Calcolo ispirato ai quanti"

? emerso che gli effetti quantistici aiutavano a risolvere il problema dell'ottimizzazione in modo molto rapido nella simulazione solo se la simulazione era molto grossolana, cioè se eseguiva Heim con un numero ridotto di punti di riferimento. Con un numero molto elevato di punti di riferimento strettamente definiti, cioè quando la simulazione si avvicinava molto alla realtà, non c'era alcuna accelerazione quantistica. "Le simulazioni approssimative, come quelle effettuate dagli scienziati negli ultimi anni, non riflettono quindi la realtà nei dispositivi di ottimizzazione quantistica reali come D-Wave", afferma Troyer.

Tuttavia, alcuni problemi di ottimizzazione possono essere risolti molto rapidamente con queste simulazioni quantistiche approssimative - su computer convenzionali, senza dover ricorrere a dispositivi di fisica quantistica. Tali simulazioni quantistiche sono quindi significative di per sé. Tuttavia, se vengono utilizzate per risolvere compiti di calcolo, non si parla di informatica quantistica, ma piuttosto di informatica ispirata ai quanti, spiega Troyer. "Attualmente è del tutto aperto se i problemi di ottimizzazione possano essere risolti in modo più efficiente con ottimizzatori quantistici o con l'informatica ispirata ai quanti su computer convenzionali. Prevedo un'interessante competizione tra questi due approcci nei prossimi anni".

L'accelerazione quantistica è teoricamente possibile

Anche se gli scienziati non hanno riscontrato una "accelerazione quantistica" nell'attuale generazione di computer quantistici, ciò non significa che tale accelerazione sia impossibile in linea di principio. ? del tutto possibile che l'accelerazione fisica quantistica si verifichi in un futuro ottimizzatore quantistico con un design diverso, ad esempio in un dispositivo in cui le particelle quantistiche interagiscono non solo con le particelle nelle immediate vicinanze, ma anche su distanze maggiori. "Sarebbe interessante testare il potenziale delle nuove architetture di computer in una simulazione prima della costruzione", dice Troyer. La simulazione di Bettina Heim può fare proprio questo.

La studentessa dell'ETH è orgogliosa di aver dato il suo contributo. "Mi sono interessata alla matematica e alla fisica per molto tempo", dice Heim, che ha completato la maturità con un'eccellente media di 5,7, risultando la migliore studentessa del suo anno. Già durante il periodo in cui era un'atleta di punta, era chiaro che avrebbe voluto studiare una di queste due materie. "Il lavoro del gruppo di Troyer si trova all'intersezione tra fisica teorica e informatica. Apprezza il fatto che in questo gruppo può lavorare su questioni teoriche che hanno ancora un forte legame con la realtà e che può anche testare direttamente nelle simulazioni.

L'atteggiamento di base aiuta durante gli studi

Esistono legami tra lo sport d'élite e il mondo accademico? I due mondi sono molto diversi, dice Heim. Ma nei suoi studi beneficia di abilità che erano importanti anche nello sport d'élite. Questo le permette di concentrarsi bene sul momento. Durante la laurea triennale, Heim ha lavorato part-time come allenatrice di pattinaggio artistico. Per lei era importante concentrarsi sul suo sport mentre studiava.

La sua attitudine di base, che aveva già nello sport di alto livello, le giova anche adesso. "Sono responsabile di ciò che faccio. E se voglio raggiungere un obiettivo, non c'è altro motivo che non sia io stessa per non raggiungerlo", riassume.

Heim sta lavorando all'ETH nel gruppo del professor Troyer anche durante il suo programma di Master. E un giorno vorrebbe fare un dottorato in fisica teorica o in informatica. ? quindi molto probabile che nei prossimi anni la sua penna pubblichi altri lavori di ricerca di alto livello.