I fisici stanno sviluppando simulatori quantistici, per aiutare a risolvere problemi che sono al di fuori della portata dei computer convenzionali. Però, hanno prima bisogno di nuovi strumenti per garantire che i simulatori funzionino correttamente. Ricercatori di Innsbruck intorno a Rainer Blatt e Christian Roos, insieme a ricercatori delle Università di Ulm e Strathclyde, hanno ora implementato una nuova tecnica in laboratorio che può essere utilizzata per caratterizzare in modo efficiente gli stati complessi dei simulatori quantistici. La tecnica, chiamata tomografia a stato prodotto a matrice, potrebbe diventare un nuovo strumento standard per la caratterizzazione dei simulatori quantistici.

Molti fenomeni del mondo quantistico non possono essere studiati direttamente in laboratorio, e anche i supercomputer falliscono quando cercano di simularli. Però, gli scienziati sono ora in grado di controllare in modo molto preciso vari sistemi quantistici in laboratorio e questi sistemi possono essere utilizzati per simulare altri sistemi quantistici. Tali simulatori quantistici sono quindi considerati una delle prime applicazioni concrete della seconda rivoluzione quantistica.

Però, la caratterizzazione di grandi stati quantistici, che è necessario per guidare lo sviluppo di simulatori quantistici su larga scala, risulta difficile. L'attuale gold standard per la caratterizzazione dello stato quantistico in laboratorio - la tomografia a stato quantistico - è adatto solo per piccoli sistemi quantistici composti da una manciata di particelle quantistiche. I ricercatori dell'Istituto di fisica sperimentale dell'Università di Innsbruck e dell'Istituto per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica dell'Accademia austriaca delle scienze hanno ora stabilito un nuovo metodo in laboratorio che può essere utilizzato per caratterizzare in modo efficiente grandi stati quantistici.

Uno sforzo collaborativo

Nelle trappole ioniche, gli atomi carichi (ioni) vengono raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto e manipolati con l'ausilio di laser. Tali sistemi rappresentano un approccio promettente per eseguire simulazioni quantistiche che possono andare oltre le capacità dei moderni supercomputer. I fisici quantistici di Innsbruck sono tra i leader mondiali in questo campo e attualmente possono intrappolare 20 o più ioni nelle loro trappole. Per caratterizzare completamente tali grandi sistemi quantistici, hanno bisogno di nuovi metodi. Per questo, teorici intorno a Martin Plenio dell'Università di Ulm, Germania, venuto in loro aiuto. Nel 2010, il team Plenio ha proposto un nuovo metodo per la caratterizzazione di stati quantistici complessi chiamato tomografia matrice-prodotto-stato. Usando questo metodo, lo stato di un gruppo di particelle quantistiche entangled può essere stimato con precisione senza che lo sforzo aumenti drammaticamente all'aumentare del numero di particelle nel gruppo. In collaborazione con i team di Martin Plenio di Ulm e Andrew Daley dell'Università di Strathclyde in Scozia, i fisici sperimentali di Innsbruck intorno a Christian Roos, Ben Lanyon e Christine Maier hanno ora implementato questa procedura in laboratorio.

Misure più efficienti

Come caso di prova, i fisici hanno costruito un simulatore quantistico con un massimo di 14 bit quantistici (atomi), che è stato inizialmente preparato in un semplice stato iniziale senza correlazioni quantistiche. Prossimo, i ricercatori hanno impigliato gli atomi con la luce laser e hanno osservato la propagazione dinamica dell'entanglement nel sistema. "Con il nuovo metodo, possiamo determinare lo stato quantistico dell'intero sistema misurando solo una piccola frazione delle proprietà del sistema, " afferma il vincitore del premio START Ben Lanyon. I teorici di Martin Plenio hanno preso la caratterizzazione dello stato quantistico globale dai dati misurati:"Il metodo si basa sul fatto che possiamo teoricamente descrivere bene l'entanglement distribuito localmente e ora possiamo anche misurarlo in laboratorio».

Quando il gruppo di lavoro di Rainer Blatt ha realizzato il primo byte quantistico nel 2005, più di 6, Sono state necessarie 000 misurazioni per la caratterizzazione dello stato quantistico, preso in un periodo di dieci ore. Il nuovo metodo richiede solo 27 misurazioni per caratterizzare lo stesso sistema dimensionale, preso in circa 10 minuti. "Siamo stati in grado di dimostrare che questo metodo può essere utilizzato per identificare in modo efficiente stati quantistici grandi e complessi, "dice Christine Maier, un membro del team di Innsbruck. Ora gli scienziati vogliono sviluppare ulteriormente gli algoritmi in modo che possano essere utilizzati in modo flessibile anche da altri gruppi di ricerca.

Nuovo gold standard

Il nuovo metodo consente la caratterizzazione completa di sistemi contenenti un gran numero di particelle quantistiche correlate e fornisce quindi un'opzione di confronto per le simulazioni quantistiche. "Possiamo usare la nuova tecnica per calibrare i simulatori quantistici, confrontando gli stati che troviamo in laboratorio con quelli attesi dai calcoli analitici, " spiega Christian Roos. "Allora sappiamo se il simulatore fa quello che vogliamo". Il nuovo metodo offre ai medici uno strumento per molte applicazioni e potrebbe diventare un nuovo standard per le simulazioni quantistiche.