Il professore associato di fisica della Louisiana State University Mark M. Wilde e il suo collaboratore hanno risolto un problema di 20 anni nella teoria dell'informazione quantistica su come calcolare il costo dell'entanglement, un modo per misurare l'entanglement, in un modo che sia efficientemente calcolabile, utile, e ampiamente applicabile in diverse aree di ricerca quantistica.

In un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , Wilde e il coautore Dr. Xin Wang di Baidu Research descrivono come consentire una gamma leggermente più ampia di operazioni fisiche rispetto a ciò che è noto come LOCC (operazioni locali e comunicazione classica) - che hanno sconvolto gli scienziati quantistici per un po' di tempo con problemi di matematica - lo rende possibile caratterizzare l'esatto costo di entanglement di un dato stato quantistico. Il loro lavoro chiude un'indagine di lunga data sulla teoria dell'entanglement nota come "costo esatto dell'entanglement PPT di uno stato quantistico".

La scienza dell'informazione quantistica mira a comprendere e controllare le proprietà strane e talvolta spettrali degli stati quantistici (cioè, stati entangled) che consentono compiti di elaborazione delle informazioni che sono impossibili nel mondo non quantistico, come il teletrasporto, informatica quantistica, e comunicazione assolutamente sicura.

L'unità di base dell'entanglement è nota come stato di Bell. Puoi pensarla come la più piccola molecola possibile composta da due atomi entangled (qubit, realmente) il cui intreccio è assoluto—implicante, se potessi sbirciare uno di loro, sapresti senza dubbio che l'altro sarebbe il suo gemello, con le stesse caratteristiche. Come due persone che lanciano una moneta; se una persona ottiene croce, che ragionevolmente è una probabilità 50/50, l'altro sarebbe garantito per ottenere croce (o entrambi ottengono testa, stessa cosa), una conseguenza dell'entanglement assoluto o di uno stato di Bell. Inoltre, nessun altro nell'universo può conoscere l'esatto esito del lancio della moneta, e questo è il motivo principale per cui una comunicazione sicura basata sull'entanglement quantistico è possibile oltre che desiderabile.

"L'entanglement quantistico è una sorta di super-correlazione che due parti distanti condividono, " spiegò Wilde. "Se il mondo fosse descritto solo dalla fisica classica, allora non sarebbe possibile avere le forti correlazioni disponibili con l'entanglement quantistico. Però, il nostro mondo è fondamentalmente quantomeccanico, e l'entanglement ne è una caratteristica essenziale."

Quando l'entanglement quantistico fu scoperto per la prima volta negli anni '30, si pensava che fosse una seccatura perché era difficile da capire, e non è chiaro quali sarebbero i suoi vantaggi. Ma con l'avvento della scienza dell'informazione quantistica negli anni '90, era inteso in senso teorico come la chiave per straordinarie tecnologie quantistiche. Esempi recenti di tali tecnologie includono l'esperimento di teletrasporto cinese da terra a satellite nel 2017 e il raggiungimento della supremazia quantistica computazionale di Google lo scorso anno.

Alla LSU, fisici quantistici come Omar Magaña-Loaiza e Thomas Corbitt eseguono regolarmente esperimenti che potrebbero trarre vantaggio dalla nuova e più precisa misura di Wilde e Wang. Nei rispettivi laboratori, Magaña-Loaiza ha recentemente generato stati entangled tramite misurazioni condizionali, che costituisce un passo importante nello sviluppo di sistemi simili a laser entangled, mentre Corbitt ha condotto uno studio sull'entanglement optomeccanico, che ha il potenziale per essere una fonte affidabile di entanglement multifotonico a lunghezze d'onda corte. La nuova misura di entanglement di Wilde e Wang, chiamato κ entanglement o negatività max-logaritmica, può essere utilizzato per valutare e quantificare l'entanglement prodotto in un'ampia gamma di esperimenti quanto-fisici.

Le unità di entanglement di base o gli stati Bell sono anche noti come e-bit. L'entanglement può essere considerato in due modi diversi:o quanti e-bit servirebbero per preparare uno stato quantistico, o quanti e-bit si potrebbero estrarre o "distillare" da uno stato entangled complesso. Il primo è noto come costo di entanglement ed è il problema considerato da Wilde e Wang.

"Gli e-bit sono una risorsa preziosa e vuoi usarne il meno possibile, " disse Wilde. "In fisica, spesso vuoi guardare sia il processo in avanti che il processo all'indietro. è reversibile? E se lo è, perdo qualcosa per strada? E la risposta è sì".

Wilde ammette che il problema che lui e Wang hanno risolto è in qualche modo esoterico:un trucco matematico. Però, consentirà agli scienziati dell'informazione quantistica di calcolare in modo efficiente i costi di entanglement dati determinati vincoli.

"Non tutte le misure di entanglement sono calcolabili in modo efficiente e hanno un significato come il costo di entanglement. Questa è una distinzione fondamentale tra tutti i lavori precedenti e il nostro, " ha aggiunto Wilde.

Mentre la mancanza di questo tipo di misura è stata un tallone d'Achille nella scienza dell'informazione quantistica per oltre 20 anni, è stato, ironia della sorte, che Wilde si è "impigliato" in modo max-negativo durante una partita di basket nel 2018 che ha portato lui e Wang a risolvere il problema.

"Mi sono rotto il tallone d'Achille mentre cercavo il punto vincente della partita, poi ha avuto un intervento chirurgico per ripararlo, e non potevo alzarmi dal letto per un mese e mezzo, " Wilde ricorda. "Quindi, Ho scritto un documento di ricerca sul costo dell'entanglement, e quando Xin Wang l'ha saputo, mi ha chiesto se fossi interessato a sviluppare ulteriormente questo problema. Abbiamo quindi iniziato a lavorare insieme, avanti e indietro, e questo è diventato il documento su cui ora pubblichiamo Lettere di revisione fisica . Da allora siamo diventati buoni amici e collaboratori:sono notevoli le sorprese che possono capitare nella vita".