Il professore di fisica della Louisiana State University Mark M. Wilde e il suo collaboratore Xin Wang hanno risolto un problema che risale a 20 anni addietro, nella teoria dell’informazione quantistica: come va calcolato il costo dell’entanglement – un modo per misurare l’entanglement – di modo che sia efficacemente calcolabile, utile e ampiamente applicabile in diverse aree di ricerca quantistica. Wilde e Dr. Xin Wang di Baidu Research descrivono come consentire una gamma leggermente più ampia di operazioni fisiche, rispetto a ciò che è noto come LOCC (operazioni locali e comunicazione classica) – che avevano sbalordito scienziati per una matematica difficile per qualche tempo – rendendo possibile caratterizzare l’esatto costo di entanglement di un dato stato quantico. Il lavoro chiude un’indagine di lunga data sulla teoria dell’entanglement, nota come “costo di entanglement esatto PPT di uno stato quantico“. La scienza dell’informazione quantistica mira a comprendere e controllare le proprietà strane e talvolta spettrali degli stati quantistici (cioè, gli stati intrecciati) che consentono attività di elaborazione delle informazioni impossibili nel mondo non quantico, come il teletrasporto, il calcolo quantistico e la comunicazione assolutamente sicura. L’unità più elementare di entanglement è conosciuta come stato di Bell. Va pensata come la più piccola molecola possibile composta da due atomi intrecciati (qubit, in realtà) il cui entanglement è assoluto .Ciò implica, se potessi sbirciare uno di loro, sapresti oltre ogni dubbio che l’altro sarebbe il suo gemello, con le stesse caratteristiche. Come due persone che lanciano una moneta; se una persona ottiene la coda, il che è ragionevolmente una probabilità del 50/50, l’altra sarebbe garantita per ottenere la coda (o entrambi ottengono la testa, stessa cosa), una conseguenza dell’entusiasmo assoluto o di uno stato di Bell. Inoltre, nessun altro nell’universo può conoscere l’esatto risultato del lancio della moneta, e questa è la ragione principale per cui una comunicazione protetta basata sull’entanglement quantistico è possibile e desiderabile. “L’entanglement quantistico, -ha spiegato Wilde-è una sorta di super correlazione condivisa da due parti distanti. Se il mondo fosse descritto solo dalla fisica classica, non sarebbe possibile avere le forti correlazioni disponibili con l’entanglement quantistico. Tuttavia, il nostro mondo è fondamentalmente meccanico quantistico e l’entanglement ne è una caratteristica essenziale.” Quando l’entanglement quantistico fu scoperto per la prima volta negli anni ’30, si pensava che fosse un fastidio: era difficile da capire e non era chiaro quali sarebbero stati i suoi benefici. Con l’ascesa della scienza dell’informazione quantistica negli anni ’90, è stata intesa in senso teorico come la chiave di notevoli tecnologie quantistiche. Esempi recenti di tali tecnologie includono l’esperimento di teletrasporto cinese da terra a satellite nel 2017 e il successo di supremazia quantistica computazionale di Google, l’anno scorso. Alla LSU, fisici quantistici come Omar Magaña-Loaiza e Thomas Corbitt eseguono abitualmente esperimenti che potrebbero beneficiare della nuova e più precisa misura di Wilde e Wang. Nei rispettivi laboratori, Magaña-Loaiza, hanno recentemente generato stati intrecciati attraverso misurazioni condizionali, che costituiscono un passo importante nello sviluppo di sistemi simili a laser intrappolati, mentre Corbitt ha condotto uno studio sull’ entanglement optomeccanico, che ha il potenziale di essere una fonte affidabile di entanglement multifotone a lunghezze d’onda corte. La nuova misura di entanglement di Wilde e Wang, chiamata? entanglement o negatività max-logaritmica, può essere utilizzata per valutare e quantificare l’ entanglement prodotto in una vasta gamma di esperimenti quantistici-fisici. Le unità di entanglement di base o gli stati di Bell sono anche noti come e-bit. L’entanglement può essere visto in due modi diversi: o quanti bit elettronici ci vorranno per preparare uno stato quantico, o quanti bit elettronici uno si potrebbero estrarre o “distillare” da uno stato complesso aggrovigliato. Il primo è noto come costo di entanglement ed è il problema considerato da Wilde e Wang. “Gli e-bit sono una risorsa preziosa, -ha detto Wilde– e quindi da usarne il minor numero possibile. In fisica, spesso vuoi guardare sia al processo in avanti che al processo all’indietro. È reversibile? E se lo è, perdo qualcosa lungo la strada? E la risposta è sì.” Wilde ammette che il problema che lui e Wang hanno risolto è in qualche modo esoterico: un trucco matematico. Tuttavia, questo consentirà agli scienziati dell’informazione quantistica di calcolare in modo efficiente i costi di entanglement, dati determinati vincoli.
“Non tutte le misure di entanglement, -ha aggiunto Wilde– sono calcolabili in modo efficiente e hanno un significato come costo di entanglement. Questa è una distinzione chiave tra tutto il lavoro precedente e il nostro”. Mentre la mancanza di questo tipo di misura è stata un tallone di Achille nella scienza dell’informazione quantistica per oltre 20 anni, il successo inaspettato è stato dovuto – ironia della sorte – a Wilde divenuto max-negativamente “impigliato” durante una partita di basket nel 2018 che lo ha portato, alla fine con Wang a riuscire a risolvere il problema. “Mi sono rotto il tallone d’Achille, -ricorda Wilde– mentre cercavo il punto vincente del gioco, poi ho subito un intervento chirurgico per ripararlo e non sono riuscito ad alzarmi dal letto per un mese e mezzo”. “Così, ho scritto un documento di ricerca sul costo di entanglement – prosegue Wilde-e quando Xin Wang lo ha saputo, mi ha chiesto se fossi stato interessato a sviluppare ulteriormente questo problema. Abbiamo quindi iniziato a lavorare insieme, avanti e indietro, e quello è diventato il documento ora pubblicato. In seguito, siamo diventati buoni amici e collaboratori -ma è davvero sorprendente le sorprese che possono verificarsi nella vita “.
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