Il laboratorio di ricerca dell'esercito americano e i suoi partner hanno fatto un passo avanti nella comprensione della struttura dell'entanglement nei sistemi quantistici con interazioni a lungo raggio.

impigliamento, dicono i ricercatori, è una risorsa cruciale che può essere sfruttata per una comunicazione ultra sicura, misurazione "fantasticamente precisa", orologi raffinati e altri cronometri, così come computer con una potenza senza precedenti.

Meccanica quantistica, o la teoria fisica che governa il mondo microscopico, predice molti comportamenti strani e controintuitivi, ha detto il fisico ARL Dr. Michael Foss-Feig. "Per quanto strani possano sembrare questi comportamenti, non c'è dubbio che siano reali. Per tutto il XX secolo, le previsioni della meccanica quantistica sono state testate e verificate in molti esperimenti su sistemi microscopici, come i singoli atomi."

Foss-Feig ha osservato che all'inizio del 21° secolo, una delle frontiere più entusiasmanti della fisica quantistica è controllare questo strano comportamento in modo così completo da poter essere scoperto dai sistemi macroscopici, per esempio gas ultrafreddi contenenti milioni di atomi. Ha detto che se questo può essere raggiunto, seguirà una manna di applicazioni pertinenti DOD.

Il laboratorio ha collaborato con il Joint Quantum Institute e il Caltech. La loro scoperta dipendeva dalla comprensione di uno strano comportamento noto come entanglement quantistico.

Nella fisica classica, descrivere lo stato di due oggetti non è molto più difficile che descrivere lo stato di un oggetto. "Per esempio, se io e te abbiamo una lampadina e vogliamo descriverli entrambi, potremmo dire 'il mio è acceso, e il tuo è spento', e questo avrebbe sistemato le cose. Ma se queste lampadine sono impigliate, allora nessuno dei due può dirsi acceso o spento, e in un certo senso ognuno può essere sia acceso che spento allo stesso tempo, " ha spiegato. "Invece di assegnare a ciascuna lampadina uno stato definito di "acceso" o "spento", dobbiamo descrivere quanto è probabile che abbiamo ogni possibile combinazione di 'on' e 'off'."

Nei sistemi macroscopici costituiti da molti oggetti quantistici, le conseguenze dell'entanglement sono profonde, Egli ha detto.

Mentre la strategia classica per descrivere molte lampadine è ancora semplice ("la prima è accesa, il prossimo è spento..., l'ultimo è acceso"), una collezione di lampadine aggrovigliate deve essere descritta assegnando una probabilità a ogni possibile modo in cui le lampadine possono essere accese. Poiché il numero di modi in cui molte lampadine possono essere accese o spente cresce molto rapidamente (in modo esponenziale) con il numero di lampadine, i grandi sistemi quantistici contengono molte più informazioni rispetto ai sistemi classici di dimensioni comparabili. Questa strana osservazione gioca un ruolo cruciale nella capacità dei grandi sistemi quantistici di svolgere compiti difficili, ma causa anche profonde difficoltà nel descrivere e prevedere il loro comportamento.

Forse l'intuizione più profonda sull'entanglement fatta negli ultimi decenni è che l'esempio della lampadina è spesso troppo ingenuo.

"Esiste infatti una struttura semplificatrice per i modelli di entanglement che possono formarsi in sistemi fisici 'ragionevoli', come quelli in cui le particelle interagiscono solo su brevi distanze, " Disse Foss-Feig. "Questa struttura, chiamata "legge d'area", dice che l'entanglement è una proprietà locale. Di conseguenza, i grandi sistemi, se obbediscono alla legge dell'area, non sono molto più difficili da descrivere rispetto ai piccoli sistemi. Questa struttura suggerisce anche che se vogliamo sfruttare i grandi sistemi quantistici come strumenti per eseguire compiti difficili, può aiutare a renderli (almeno leggermente) "irragionevoli"."

Foss-Feig ha detto che un modo molto naturale per farlo è dotare un sistema quantistico di interazioni a lungo raggio.

"Per esempio, un gas di molecole può essere polarizzato da un campo elettrico in modo che interagiscano su lunghe distanze come minuscoli dipoli elettrici, " Egli ha detto.

Ma quanto devono essere a lungo raggio queste interazioni prima che un sistema si liberi dalla legge di area è una domanda difficile a cui il team di ricerca congiunto spera di rispondere.

In un recente articolo pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno compiuto un primo importante passo verso una risposta fornendo una prova matematica che i sistemi con interazioni a lungo raggio obbediscono ancora alla legge dell'area finché le interazioni non sono a lungo raggio. Questo lavoro aiuta a definire la linea sfuggente che differenzia i sistemi quantistici che possono essere descritti in modo efficiente da quelli che non possono. Nel futuro, gli autori sperano di sfruttare la struttura di questa prova per comprendere meglio gli ingredienti minimi necessari per progettare sistemi quantistici che possiedono un entanglement più (e più complesso).