Un team di fisici dell'ICTP-Trieste e dell'IQOQI-Innsbruck ha avuto un'idea sorprendentemente semplice per studiare l'entanglement quantistico di molte particelle. Invece di approfondire le proprietà delle funzioni d'onda quantistiche, che sono notoriamente difficili da accedere sperimentalmente, si propongono di realizzare sistemi fisici governati dalle corrispondenti Hamiltoniane di entanglement. Facendo così, le proprietà di entanglement del problema originario di interesse diventano accessibili tramite strumenti consolidati.

L'entanglement quantistico costituisce il cuore della seconda rivoluzione quantistica:è una caratteristica chiave utilizzata per comprendere le forme della materia quantistica, e una risorsa chiave per le tecnologie quantistiche presenti e future. Fisicamente, le particelle entangled non possono essere descritte come singole particelle con stati definiti, ma solo come un unico sistema. Anche quando le particelle sono separate da una grande distanza, i cambiamenti in una particella influenzano istantaneamente anche le altre particelle. L'entanglement delle singole particelle, siano essi fotoni, atomi o molecole:oggi fa parte della vita quotidiana in laboratorio. Nella fisica a molti corpi, seguendo il lavoro pionieristico di Li e Haldane, l'entanglement è tipicamente caratterizzato dal cosiddetto spettro di entanglement:è in grado di catturare caratteristiche essenziali dei fenomeni quantistici collettivi, come l'ordine topologico, e allo stesso tempo, permette di quantificare la 'quantità' di un dato stato, cioè quanto sia difficile scriverlo semplicemente su un computer classico.

Nonostante la sua importanza, i metodi sperimentali per misurare lo spettro di entanglement raggiungono rapidamente i loro limiti - fino ad oggi, questi spettri sono stati misurati solo in sistemi di pochi qubit. Con un numero crescente di particelle, questo sforzo diventa senza speranza poiché la complessità delle tecniche attuali aumenta in modo esponenziale.

"Oggi, è molto difficile eseguire un esperimento al di là di poche particelle che ci permetta di fare affermazioni concrete sugli spettri di entanglement, " spiega Marcello Dalmonte del Centro Internazionale di Fisica Teorica (ICTP) di Trieste, Italia. Insieme a Peter Zoller e Benoît Vermersch dell'Università di Innsbruck, ora ha trovato un modo sorprendentemente semplice per studiare direttamente l'entanglement quantistico. I fisici capovolgono il concetto di simulazione quantistica non simulando più un certo sistema fisico nel simulatore quantistico, ma simulando direttamente il suo operatore hamiltoniano di entanglement, il cui spettro di eccitazioni è immediatamente correlato allo spettro di entanglement.

"Invece di simulare uno specifico problema quantistico in laboratorio e poi provare a misurare le proprietà di entanglement, proponiamo semplicemente di girare le carte in tavola e realizzare direttamente la corrispondente Hamiltoniana di entanglement, che dà accesso immediato e semplice alle proprietà di entanglement, come lo spettro di entanglement, " spiega Marcello Dalmonte. "Sondare questo operatore in laboratorio è concettualmente e praticamente facile come sondare spettri a molti corpi convenzionali, una routine di laboratorio ben consolidata."

Per di più, non ci sono quasi limiti a questo metodo per quanto riguarda le dimensioni del sistema quantistico. Ciò potrebbe anche consentire lo studio degli spettri di entanglement in sistemi a molte particelle, che è notoriamente difficile da affrontare con i computer classici. Dalmonte, Vermersch e Zoller descrivono il metodo radicalmente nuovo in un articolo corrente in Fisica della natura e dimostrare la sua realizzazione concreta su una serie di piattaforme sperimentali, come i sistemi atomici, ioni intrappolati e anche sistemi a stato solido basati su bit quantistici superconduttori.