L'entanglement è di importanza centrale per le nuove tecnologie quantistiche del 21° secolo. Un team di ricerca tedesco-austriaco sta ora presentando il più grande registro quantistico entangled di sistemi controllabili individualmente fino ad oggi, composto da un totale di 20 bit quantici. I fisici di Innsbruck, Vienna e Ulm stanno spingendo i metodi sperimentali e teorici ai limiti di ciò che è attualmente possibile.

Alcune delle nuove tecnologie quantistiche che vanno dai sensori estremamente precisi ai computer quantistici universali richiedono un gran numero di bit quantistici per sfruttare i vantaggi della fisica quantistica. I fisici di tutto il mondo stanno quindi lavorando all'implementazione di sistemi entangled con più bit quantistici. Il record è attualmente detenuto dal gruppo di ricerca di Rainer Blatt presso l'Istituto di fisica sperimentale dell'Università di Innsbruck. Nel 2011, i fisici hanno per la prima volta entangled 14 bit quantistici indirizzabili individualmente e hanno così realizzato il più grande registro quantistico completamente entangled. Ora, un gruppo di ricerca guidato da Ben Lanyon e Rainer Blatt presso l'Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) dell'Accademia austriaca delle scienze, insieme ai teorici dell'Università di Ulm e dell'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica di Vienna, ha ottenuto un entanglement controllato multiparticellare in un sistema di 20 bit quantistici. I ricercatori sono stati in grado di rilevare un vero entanglement multiparticellare tra tutti i gruppi vicini di tre, quattro e cinque bit quantistici.

Autentico entanglement multiparticellare

Fisicamente, le particelle entangled non possono essere descritte come singole particelle con stati definiti, ma solo come un sistema completo. È particolarmente difficile capire l'entanglement quando sono coinvolte numerose particelle. Qui, si deve fare una distinzione tra l'entanglement di singole particelle e il vero entanglement multi-particellare. Questo può essere inteso solo come una proprietà del sistema complessivo di tutte le particelle interessate, e non può essere spiegato da una combinazione dei sottosistemi che sono entangled.

Presso l'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica di Innsbruck, il team di fisici ha utilizzato la luce laser per intrappolare 20 atomi di calcio in un esperimento con trappola ionica e ha osservato la propagazione dinamica dell'entanglement multiparticellare in questo sistema. "Le particelle vengono prima impigliate a coppie, " descrive Lanyon. "Con i metodi sviluppati dai nostri colleghi di Vienna e Ulm, possiamo quindi dimostrare l'ulteriore diffusione dell'entanglement a tutte le triplette di particelle vicine, la maggior parte dei gemelli e alcuni cinque gemelli.

Questi metodi di rilevamento sono stati sviluppati dal gruppo di ricerca di Martin Plenio presso l'Università di Ulm e dal team di Marcus Huber presso IQOQI Vienna. "Abbiamo scelto un approccio MacGyver, ", afferma il primo autore Nicolai Friis. "Dovevamo trovare un modo per rilevare l'entanglement multiparticellare con un piccolo numero di impostazioni di misurazione fattibili".

I ricercatori hanno adottato un approccio complementare:il gruppo attorno a Huber e Friis ha utilizzato un metodo che richiede solo poche misurazioni e i cui risultati possono essere facilmente valutati. In questo modo, l'entanglement di tre particelle potrebbe essere dimostrato nell'esperimento. I teorici di Ulm usavano una tecnica più complessa basata su metodi numerici. "Sebbene questa tecnica sia efficiente, raggiunge anche i suoi limiti a causa del forte aumento dello sforzo di calcolo dovuto al numero di bit quantistici, ", afferma Oliver Marty del gruppo di ricerca di Martin Plenio. "Ecco perché l'utilità di questo metodo si è conclusa anche con il rilevamento dell'entanglement reale a cinque particelle".

Un grande passo verso l'applicazione

"Esistono sistemi quantistici come i gas ultrafreddi in cui è stato rilevato l'entanglement tra un gran numero di particelle, " dice Nicolai Friis. "Tuttavia, l'esperimento di Innsbruck è in grado di affrontare e leggere individualmente ogni singolo bit quantistico." È quindi adatto per applicazioni pratiche come simulazioni quantistiche o elaborazione di informazioni quantistiche. Rainer Blatt e il suo team sperano di aumentare il numero di bit quantistici nell'esperimento. "Il nostro obiettivo a medio termine è di 50 particelle, " dice. "Questo potrebbe aiutarci a risolvere i problemi che i migliori supercomputer oggi ancora non riescono a realizzare".

I metodi sviluppati per l'esperimento della trappola ionica a Innsbruck saranno utilizzati più ampiamente, i fisici di Ulm e Vienna sono convinti. "Vogliamo spingere ulteriormente i confini dei nostri metodi, " dicono Friis e Marty. "Sfruttando le simmetrie e concentrandosi su alcuni osservabili, possiamo ottimizzare ulteriormente questi metodi per rilevare un entanglement multiparticellare ancora più esteso.

La ricerca è stata pubblicata su Revisione fisica X .