Uno stato quantistico massimamente intrappolato con uno spettro fisso non esiste in presenza di rumore, afferma il matematico

21 agosto 2024

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di David Appell, Phys.org

Per oltre 20 anni, i ricercatori quantistici si sono chiesti se un sistema quantistico possa avere un'entanglement massimo in presenza di rumore. Di recente, un matematico spagnolo ha risposto alla domanda: No.

L'idea di entanglement quantistico è iniziata con un dibattito tra Niels Bohr e Albert Einstein; Einstein non apprezzava l'idea e in modo derisorio la definiva 'azione spettrale a distanza'. I fisici quantistici hanno studiato il concetto per decenni ed è stato perfezionato in un principio fondamentale noto come disuguaglianze di Bell, che delineavano i mondi classico e quantistico.

L'entanglement si verifica quando gli oggetti in un sistema, qualunque essi siano, non possono essere descritti indipendentemente l'uno dall'altro. Sono in qualche modo collegati in modi che gli scienziati non sono stati in grado di spiegare — o meglio, capire, poiché sembra così poco intuitivo per noi esseri classici che pensiamo in modo classico, non quantistico.

Gli scienziati quantistici stanno utilizzando il fenomeno dell'entanglement per costruire e migliorare tecnologie come i computer quantistici, la crittografia quantistica, i sensori quantici e la teletrasportazione quantistica, e vogliono andare oltre.

Molti scienziati quantistici ritengono che i computer quantistici richiederanno particelle o molecole in uno stato di entanglement. Tali stati esistono solo nella meccanica quantistica. Considera un sistema di due elettroni entangled il cui momento angolare netto è zero. Misura il momento angolare di uno e, qualunque esso sia, il partner entangled sembra immediatamente cadere nel momento angolare opposto, a prescindere dalla distanza.

Tuttavia, piuttosto misteriosamente, nessuna informazione si è spostata tra le due particelle. È stato dimostrato un entanglement per un sistema i cui membri erano distanti più di 1.000 km.

Un qubit è un bit quantistico, dove lo stato (qui, un elettrone) può esistere contemporaneamente in stati multipli; l'elettrone è detto in sovrapposizione quantistica. Prima della misura, ogni elettrone è un qubit, una sovrapposizione di uno stato di spin su e uno stato di spin giù. Lo stato quantistico massimamente entangled di due qubit è chiamato stato di Bell; i qubit mostrano una correlazione perfetta che non può essere spiegata senza la meccanica quantistica.

Nelle ultime decadi, scienziati e ingegneri hanno iniziato a considerare l'entanglement come una risorsa che consente compiti nelle tecnologie quantistiche impossibili nei sistemi classici. Quando si utilizza l'entanglement quantistico, i ricercatori vorrebbero raggiungere uno stato massimamente entangled, in cui le particelle, la luce o le molecole hanno massime connessioni entangled tra loro nel mondo reale — le particelle sono correlate in un modo che non è possibile nel mondo classico, e tutte le possibili misure del sistema entangled possono essere eseguite. Questo fornirebbe la forma più utile di entanglement e sarebbe uno standard d'oro nelle applicazioni.

Nella assenza di qualsiasi rumore — qualsiasi disturbo dello stato entangled, come le fluttuazioni termiche, le vibrazioni meccaniche, le fluttuazioni nella tensione di un alimentatore elettrico, ecc. — i teorici dell'informazione quantistica sanno che lo stato massimamente entangled esiste, indipendentemente dalle misurazioni.

Ma nel mondo reale c'è del rumore inevitabile che bussa ovunque, anche sugli stati entangled. Lo stato massimamente entangled può ancora esistere? In effetti, questa domanda è classificata al numero 5 nella lista dei problemi quantistici aperti pubblicata dall'Istituto per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica a Vienna.

Ora Julio I. de Vicente dell'Universidad Carlos III de Madrid ha risposto negativamente alla domanda — se è presente rumore, non è possibile massimizzare contemporaneamente tutti i tipi di entanglement del sistema. Il suo lavoro è stato pubblicato su Physical Review Letters.

'Lo stato migliore che si possa preparare dipende dalla scelta del quantificatore dell'entanglement non appena ci allontaniamo dallo scenario idealizzato anche sotto la forma più lieve di rumore,' ha detto de Vicente a Phys.org. 'Quindi, nel regime rumoroso, non c'è una nozione universale di entanglement massimo, e lo stato migliore che si possa preparare dipende dal compito.'

Un 'quantificatore di entanglement' assegna un numero al grado di entanglement. Un 'compito' in questo contesto è lo scopo per cui viene utilizzato uno stato entangled.

È importante capire che il risultato di Vicente si applica solo a stati massimamente entangled rumorosi con uno spettro fisso. Due stati quantistici hanno lo stesso spettro se hanno la stessa quantità di rumore sottostante. I risultati di Vicente non si applicano al caso in cui sia consentito cambiare lo spettro (cioè aumentare o diminuire il rumore) tra due stati quantistici.

Un importante quantificatore di intreccio è l'entropia dell'intreccio; come in termodinamica, è una misura della quantità di disordine in un sistema. Gli stati di Bell hanno un'elevata entropia, e si sapeva che gli stati di due qubit rumorosi massimizzavano altri quantificatori di intreccio. Si credeva fortemente che dovessero massimizzare tutti i possibili quantificatori, il che ora si rivela essere incorretto.

Namit Anand, un ricercatore presso KBR e il Laboratorio di Intelligenza Artificiale Quantistica (QuAIL) della NASA Ames, afferma: 'Questa è una sorpresa, poiché si sapeva che esistono classi di stati rumorosi di due qubit che sembrano essere una generalizzazione dello stato di Bell.' Ma la prova di de Vicente implica, tra le altre cose, che l'equivalente dello stato di Bell non esiste in presenza di rumore.

'Questo ci ricorda che la storia non è così semplice come sembra', ha detto Anand. 'E forse, come spesso accade nella ricerca fondamentale, quando un problema aperto viene risolto, ci lascia con più domande che risposte.'

L'autore ringrazia Namit Anand per preziose intuizioni e assistenza.

Per ulteriori informazioni: Julio I. de Vicente, Gli stati misti massimamente intrecciati per uno spettro fisso non esistono sempre, Lettere alla Physical Review (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.050202. Su arXiv: arxiv.org/abs/2402.05673

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters, arXiv

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