Un protocollo universale che inverte l'evoluzione di un qubit con una probabilità di successo elevata.

10 aprile 2023 feature

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Ricercatori dell'Istituto per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica (IQOQI) di Vienna hanno recentemente elaborato un meccanismo universale per invertire l'evoluzione di un qubit con una elevata probabilità di successo. Questo protocollo, descritto in Physical Review Letters, può propagare qualsiasi qubit target allo stato in cui si trovava in un tempo specifico nel passato. 

L'introduzione di questo protocollo si basa su un articolo precedente pubblicato nel 2020, in cui lo stesso team ha presentato una serie di protocolli per la traduzione del tempo che possono essere applicati in contesti non controllati. Sebbene alcuni di questi protocolli siano stati promettenti, nella maggior parte degli scenari testati la loro probabilità di successo è risultata troppo bassa. Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno quindi cercato di creare un protocollo alternativo con una probabilità di successo più alta.

'Il nostro protocollo appena sviluppato inverte l'evoluzione unitaria di un qubit', ha detto David Trillo, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio insieme a Benjamin Dive e Miguel Navascués, a Phys.org. 'Un qubit (o bit quantistico) è un sistema quantistico a due livelli che funge da equivalente quantistico dei bit utilizzati nei computer quantistici. Qualsiasi sistema quantistico ha una naturale evoluzione nel tempo che deve essere controllata o almeno considerata quando si progettano processi fisici intorno ad essa (ad esempio, quando si costruisce un computer quantistico). Il nostro protocollo prende un qubit e restituisce lo stesso sistema, ma nello stato in cui sarebbe se fosse evoluto all'indietro nel tempo'.

Il protocollo creato da Trillo e dai suoi colleghi è universale, il che significa che può essere applicato a qualsiasi qubit, indipendentemente dalla sua evoluzione temporale naturale o dallo stato in cui si trova quando il protocollo viene utilizzato. I protocolli universali sono intrinsecamente probabilistici, il che significa che non possono avere successo sempre, ma hanno piuttosto una certa probabilità di successo.

Nelle valutazioni iniziali, i ricercatori hanno scoperto che il loro meccanismo universale di inversione quantistica ha una elevata probabilità di successo, ovvero del 1. Fondamentalmente, il protocollo funziona impostando un qubit di destinazione su una sovrapposizione di traiettorie di volo e quindi eseguendo una serie di operazioni quantistiche su di esso.

'Il nostro protocollo funziona per sistemi non controllati, o in altre parole qubit su cui non sappiamo come applicare particolari trasformazioni', ha spiegato Trillo. 'La sua nuova caratteristica interessante è che, ogni volta che fallisce, possiamo correggere il fallimento e guidare il sistema allo stato desiderato. Eseguendo queste correzioni in modo adattivo, possiamo aumentare la probabilità di successo quanto vogliamo, a costo di aumentare il tempo di esecuzione del protocollo'.

Il nuovo protocollo universale introdotto da Trillo e dai suoi colleghi consente ai ricercatori di riavvolgere qualsiasi qubit dato in un ambiente non controllato con una elevata probabilità di successo. Sebbene esistessero già protocolli che potessero raggiungere questo risultato in ambienti controllati, sbloccare la capacità di propagare singoli qubit in ambienti non controllati a uno stato precedente potrebbe aprire nuove e preziose possibilità per la ricerca.

'Ci si chiede quali altri fenomeni dell'ambiente controllato possiamo trasferire in quello non controllato', ha aggiunto Trillo. 'Idealmente, vorremmo generalizzare questo protocollo a sistemi di dimensioni superiori. Tuttavia, sembra essere una sfida difficile, poiché servono nuove idee per farlo. Stiamo anche cercando di migliorare la probabilità di successo degli altri protocolli nell'articolo originale, in particolare i protocolli SWAP'.

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters

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