Tecnologie quantistiche, come i computer quantistici, dispositivi di rilevamento quantistico e memoria quantistica, sono stati spesso trovati per superare l'elettronica tradizionale in velocità e prestazioni, e potrebbe quindi presto aiutare gli esseri umani ad affrontare una serie di problemi in modo più efficiente. Nonostante il loro enorme potenziale, la maggior parte dei sistemi quantistici è intrinsecamente suscettibile di errori e rumore, che pone una seria sfida all'implementazione e al loro utilizzo in contesti del mondo reale.

Per consentire l'implementazione su larga scala delle tecnologie quantistiche, i ricercatori hanno cercato di sviluppare tecniche che potrebbero renderli più resistenti al rumore e meno inclini agli errori. Mentre alcuni di questi metodi, come la correzione degli errori quantistici e la tolleranza agli errori, si sono rivelati utili e sono ora capisaldi della scienza dell'informazione quantistica, i fattori che limitano le prestazioni dei sistemi quantistici nelle applicazioni del mondo reale sono ancora poco conosciuti.

I ricercatori dell'Università di Cambridge nel Regno Unito e del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada hanno recentemente cercato di acquisire una comprensione teorica dei limiti delle tecniche per "purificare" le risorse quantistiche rumorose. In un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , hanno dimostrato matematicamente l'esistenza di una serie di limiti universali all'accuratezza e all'efficienza dei metodi per purificare i diversi tipi di risorse quantistiche associate alle applicazioni pratiche, che svolgono un ruolo chiave nel funzionamento delle tecnologie quantistiche.

"Le idee e le tecniche discusse nel nostro articolo provengono dalla generale 'teoria delle risorse quantistiche one-shot, ' che abbiamo delineato in uno dei nostri precedenti documenti PRL, "Zi-Wen Liu, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "L'idea chiave è analizzare una quantità teorica dell'informazione chiamata ipotesi quantistica che verifica l'entropia relativa, che ha dimostrato di indurre limitazioni universali sulle trasformazioni da stato rumoroso a stato puro".

Usando teoremi matematici, Liu e i suoi colleghi hanno dimostrato una serie di limitazioni fondamentali sulla misura in cui possono essere purificate risorse generiche rumorose, che derivano dalle leggi della meccanica quantistica. I calcoli che hanno effettuato si applicano praticamente a tutti i tipi di risorse quantistiche.

"Più esplicitamente, deriviamo limiti inferiori non banali sull'errore di convertire qualsiasi stato rumoroso di rango completo in qualsiasi stato di risorsa pura target da qualsiasi protocollo libero (compresi quelli probabilistici) e scopriamo che è impossibile ottenere una perfetta purificazione delle risorse, anche probabilisticamente, " ha spiegato Liu. "In particolare, esiste un compromesso non banale tra la probabilità di successo e l'accuratezza del protocollo, che è simile a una "relazione di incertezza"."

I teoremi matematici introdotti da questo gruppo di ricercatori implicano l'esistenza di forti limiti all'efficienza della distillazione, una tecnica per purificare le risorse quantistiche che è alla base di un'ampia varietà di tecnologie quantistiche progettate. Più specificamente, questi teoremi introducono i primi limiti inferiori espliciti sui costi della distillazione allo stato magico, che è considerato uno schema leader per la realizzazione di calcoli quantistici scalabili e tolleranti ai guasti.

"Sorprendentemente, i nostri teoremi ci hanno permesso di stabilire la prima comprensione rigorosa dei costi delle risorse necessarie del calcolo quantistico su larga scala e di altre tecnologie quantistiche, " Liu ha detto. "Ci aspettiamo che i nostri risultati servano come linee guida importanti e trovino applicazioni ad ampio raggio in scenari pratici. Inoltre, stiamo scrivendo un lavoro di follow-up sull'estensione dei teoremi di non purificazione ai canali quantistici, che sono direttamente applicabili a importanti scenari dinamici come la simulazione del canale quantistico e la sintesi di circuiti, per rendere la teoria più completa."

Oltre a far luce sui costi e sui limiti delle tecnologie quantistiche, i risultati migliorano la comprensione dei principi fondamentali della meccanica quantistica. Come i celebri teoremi del no-go, il teorema di non clonazione e il principio di indeterminazione, i nuovi teoremi di "non purificazione" che hanno introdotto dovrebbero svolgere ruoli critici nello sviluppo scientifico e pratico della fisica quantistica. Nel futuro, potrebbero stimolare ulteriori ricerche su come questi limiti possono essere raggiunti, in definitiva aprendo la strada a tecnologie quantistiche più efficienti per applicazioni pratiche nel mondo reale.

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