(Phys.org)—Nella meccanica quantistica, è impossibile misurare con precisione e simultaneamente le proprietà complementari (come la posizione e la quantità di moto) di uno stato quantistico. Ora in un nuovo studio, i fisici hanno clonato gli stati quantistici e dimostrato che, perché i cloni sono impigliati, è possibile misurare con precisione e contemporaneamente le proprietà complementari dei cloni. Queste misurazioni, a sua volta, rivelare lo stato del sistema quantistico di input.

La capacità di determinare le proprietà complementari degli stati quantistici in questo modo non ha solo implicazioni per la comprensione della fisica quantistica fondamentale, ma ha anche potenziali applicazioni per l'informatica quantistica, crittografia quantistica, e altre tecnologie.

I fisici, Guillame S. Thekkadath e coautori presso l'Università di Ottawa, Ontario, hanno pubblicato un articolo sulla determinazione delle proprietà complementari dei cloni quantistici in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

Come spiegano i fisici, nel mondo classico è possibile misurare simultaneamente gli stati complementari di un sistema con esatta precisione, e così facendo rivela lo stato del sistema. Ma come Heisenberg propose teoricamente nel 1927 quando iniziò a sviluppare il suo famoso principio di indeterminazione, qualsiasi misura effettuata su un sistema quantistico induce un disturbo su quel sistema.

Questo disturbo è maggiore quando si misurano proprietà complementari. Ad esempio, misurare la posizione di una particella disturberà il suo momento, cambiando il suo stato quantistico. Queste misurazioni congiunte hanno incuriosito i fisici sin dai tempi di Heisenberg.

Per ovviare alla difficoltà di eseguire misurazioni congiunte, i fisici hanno recentemente studiato la possibilità di fare una copia di un sistema quantistico, e quindi misurare in modo indipendente una proprietà su ciascuna copia del sistema. Poiché le misurazioni vengono eseguite separatamente, non ci si aspetterebbe che si disturbino a vicenda, tuttavia rivelerebbero comunque informazioni sul sistema quantistico originale perché le copie condividono le stesse proprietà dell'originale.

Questa strategia incontra immediatamente un'altra restrizione quantistica:a causa del teorema di non clonazione, è impossibile fare una copia perfetta di uno stato quantistico. Quindi invece, i fisici nel nuovo studio hanno studiato l'analogo quantistico più vicino alla copia, che è la clonazione ottimale. Le parti degli stati dei cloni che condividono le stesse identiche proprietà di quelle dello stato di input sono chiamate "gemelli".

Mentre le copie perfette teoriche di uno stato quantistico non sono correlate, i gemelli sono impigliati. I fisici hanno dimostrato che, come conseguenza di questo intreccio, misurare indipendentemente le proprietà complementari su ciascun gemello equivale a misurare simultaneamente le proprietà complementari dello stato di input. Questo porta al risultato principale del nuovo studio:che la misurazione simultanea delle proprietà complementari dei gemelli fornisce lo stato (tecnicamente, la funzione d'onda) del sistema quantistico originale.

"Nella meccanica quantistica, le misurazioni disturbano lo stato del sistema misurato, "Thekkadath ha detto Phys.org . "Questo è un ostacolo che i fisici devono affrontare quando cercano di caratterizzare i sistemi quantistici come i singoli fotoni. In passato, i fisici hanno utilizzato con successo misurazioni molto delicate (note come misurazioni deboli) per aggirare questo disturbo.

"Come tale, il nostro lavoro non è il primo a determinare proprietà complementari di un sistema quantistico. Però, abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare una strategia diversa. Si basa su un'idea piuttosto ingenua. Supponiamo di voler misurare la posizione e la quantità di moto di una particella. Sapendo che queste misurazioni disturberanno lo stato della particella, possiamo prima copiare la particella, e misurare la posizione su una copia e lo slancio sull'altra? Questa era la nostra motivazione iniziale. Ma si scopre che copiare da solo non basta. Anche le copie misurate devono essere intrecciate affinché questa strategia funzioni.

"Questo è ciò che abbiamo mostrato sperimentalmente. Invece di determinare la posizione e la quantità di moto di una particella, abbiamo determinato proprietà di polarizzazione complementari di singoli fotoni. Ti aspetteresti intuitivamente che questa strategia fallisca a causa del teorema di non clonazione. Però, abbiamo dimostrato che non è così, e questo è il più grande significato del nostro risultato:misurare le proprietà complementari dei gemelli rivela direttamente lo stato quantico del sistema copiato".

Come spiegano i fisici, uno degli aspetti più importanti della dimostrazione è lavorare sui limiti del teorema di non clonazione.

"Nella nostra vita quotidiana, le informazioni vengono spesso copiate, come quando fotocopiamo un documento, o quando il DNA si replica nei nostri corpi, "Thekkadath ha spiegato. "Tuttavia, a livello quantistico, le informazioni non possono essere copiate senza introdurre disturbi o imperfezioni. Lo sappiamo grazie a un risultato matematico noto come teorema di non clonazione. Questo non ha impedito ai fisici di provarci. hanno sviluppato strategie, nota come clonazione ottimale, che riducono al minimo la quantità di rumore introdotto dal processo di copiatura. Nel nostro lavoro, facciamo un passo avanti. Abbiamo dimostrato che è possibile eliminare questo rumore dalle nostre misurazioni sulle copie utilizzando un trucco intelligente che è stato teoricamente proposto da Holger Hofmann nel 2012. I nostri risultati non violano il teorema di non clonazione poiché non produciamo mai fisicamente copie perfette:abbiamo solo replicare i risultati di misurazione che si otterrebbero con copie perfette."

Nei loro esperimenti, i fisici hanno dimostrato il nuovo metodo utilizzando gemelli fotonici, ma si aspettano che la capacità di rendere precisi, misurazioni simultanee di proprietà complementari su gemelli possono essere implementate anche con computer quantistici. Questo potrebbe portare a molte applicazioni pratiche, come fornire un metodo efficiente per misurare direttamente gli stati quantistici ad alta dimensionalità, utilizzati nell'informatica quantistica e nella crittografia quantistica.

"La determinazione dello stato di un sistema è un compito importante in fisica, "Thekkadath ha detto. "Una volta che uno stato è determinato, si sa tutto di quel sistema. Questa conoscenza può quindi essere utilizzata per, Per esempio, prevedere i risultati della misurazione e verificare che un esperimento funzioni come previsto. Questa verifica è particolarmente importante quando si producono stati complicati, come quelli necessari nei computer quantistici o nella crittografia quantistica.

"Tipicamente, gli stati quantistici sono determinati tomograficamente, molto simile a come viene visualizzato il cervello in una TAC. Questo approccio ha il limite che lo stato è sempre ricostruito globalmente. In contrasto, il nostro metodo determina il valore degli stati quantistici in qualsiasi punto desiderato, fornendo un metodo più efficiente e diretto rispetto ai metodi convenzionali per la determinazione dello stato.

"Abbiamo dimostrato sperimentalmente il nostro metodo utilizzando singoli fotoni. Ma, la nostra strategia è applicabile anche in una varietà di altri sistemi. Ad esempio, può essere implementato in un computer quantistico utilizzando solo una singola porta logica quantistica. Prevediamo che il nostro metodo potrebbe essere utilizzato per caratterizzare in modo efficiente stati quantistici complicati all'interno di un computer quantistico".

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