Le misurazioni quantistiche possono essere aiutate per coincidenza

Quando si tratta di controllare i sistemi quantistici, le dimensioni contano sicuramente. I sistemi più grandi, composti da più particelle, diventano rapidamente ingestibili. Un nuovo metodo può aiutare i fisici ad affrontare sistemi quantistici più grandi e delicati.

La misurazione ripetuta di trasformazioni selezionate casualmente di singole particelle rivela informazioni sul grado di entanglement di un sistema. (IQOQI Innsbruck / M.R.Knabl)

Gli scienziati sono stati in grado di controllare i piccoli sistemi quantistici - studiando le loro proprietà quantistiche - per molti anni. Tali simulazioni sono considerate le prime promettenti applicazioni delle tecnologie quantistiche, avanzamenti che potrebbero risolvere problemi in cui le simulazioni su computer convenzionali falliscono.

Tuttavia, i sistemi quantistici più grandi si dimostrano più difficili da affrontare a livello sperimentale - e poiché i sistemi quantistici usati come simulatori quantistici devono continuare a crescere - aumenta anche la difficoltà nel manipolarli.

Parte di questa difficoltà è il fatto che l'entanglement diventa sempre più difficile da proteggere dal collasso con un numero crescente di particelle. Ciò si traduce in una procedura estremamente delicata.

Christian Roos dell'Institute of Quantum Optics and Quantum Information presso l'Accademia austriaca delle scienze, spiega: “Per far funzionare un simulatore quantistico composto da dieci o più particelle in laboratorio, dobbiamo caratterizzare gli stati del sistema nel modo più accurato possibile “.

Finora, la tomografia a stati quantici è stata utilizzata per la caratterizzazione di stati quantistici, con la quale il sistema può essere completamente descritto. Il problema è che, poiché questo metodo comporta un notevole sforzo di misurazione e calcolo, attualmente non può essere utilizzato per sistemi con più di una mezza dozzina di particelle.

Christian Roos, insieme ai colleghi di Germania e Gran Bretagna, ha presentato un metodo molto efficiente per la caratterizzazione di stati quantistici complessi solo due anni fa. Ma con questo metodo si possono descrivere solo stati debolmente intrecciati.

L'anno scorso Peter Zoller ha introdotto un metodo che potrebbe affrontare questa complicazione e quindi può essere utilizzato per caratterizzare qualsiasi stato impigliato. Lavorando con i fisici sperimentali Rainer Blatt e Christian Roos e il loro team, hanno ora dimostrato questo metodo in laboratorio.

Simulazioni quantistiche su sistemi più grandi

I fisici hanno dimostrato il processo in un simulatore quantistico costituito da diversi ioni disposti in fila in una camera da vuoto. A partire da uno stato semplice, i ricercatori hanno permesso alle singole particelle di interagire con un piccolo aiuto dagli impulsi laser. Ecco come è stato generato l'entanglement nel sistema.

Andreas Elben, parte del team di Zoller, spiega: "Il nuovo metodo si basa sulla misurazione ripetuta di trasformazioni selezionate casualmente di singole particelle. La valutazione statistica dei risultati della misurazione fornisce quindi informazioni sul grado di entanglement del sistema. "

Tiff Brydges, uno studente di dottorato presso l'Istituto di ottica quantistica e informazioni quantistiche, continua: “Eseguiamo 500 trasformazioni locali su ogni ione e ripetiamo le misurazioni per un totale di 150 volte per poter quindi utilizzare metodi statistici per determinare informazioni su lo stato di entanglement dai risultati della misurazione. "

Nel documento, ora pubblicato sulla rivista Science, i fisici di Innsbruck caratterizzano lo sviluppo dinamico di un sistema composto da dieci ioni e un sottosistema composto da dieci ioni di una catena di 20 ioni.

Roos, che spera che il nuovo metodo possa essere applicato con successo a sistemi quantistici con fino a diverse dozzine di particelle, afferma: “In laboratorio, questo nuovo metodo ci aiuta molto perché ci consente di comprendere ancora meglio il nostro simulatore quantistico e, per esempio, per valutare la purezza dell'entanglement in modo più preciso. "

Per Zoller, l'aspetto più importante dello studio è stata la cooperazione: “Questa pubblicazione mostra ancora una volta la proficua collaborazione tra i fisici teorici e i fisici sperimentali qui a Innsbruck.

"All'Università di Innsbruck e all'Institute for Quantum Optics e Quantum Information dell'Accademia austriaca delle scienze, i giovani ricercatori di entrambi i campi trovano ottime condizioni per un lavoro di ricerca competitivo in tutto il mondo."

Roos spera anche per ulteriori applicazioni per il nuovo metodo: "Una seconda applicazione che vediamo è negli esperimenti di simulazione quantistica in cui la tecnica potrebbe aiutare a capire come l'entanglement si diffonde nei sistemi quantistici quando i costituenti del sistema interagiscono tra loro meccanicamente."

Ricerca originale: http://dx.doi.org/10.1126/science.aau4963