Il rumore limita le prestazioni delle moderne tecnologie quantistiche. Però, le particelle che viaggiano in una sovrapposizione di percorsi possono bypassare il rumore nella comunicazione. Una collaborazione tra le Università di Hong-Kong, Grenoble e Vienna, così come l'Accademia Austriaca delle Scienze, sotto la guida di Philip Walther, rivela nuove tecniche per ridurre il rumore nella comunicazione quantistica. I risultati, pubblicato nell'ultimo numero di Ricerca sulla revisione fisica , dimostrare che le particelle quantistiche che viaggiano in una sovrapposizione di percorsi consentono la riduzione del rumore nelle comunicazioni.

Tra i campi di ricerca più attivi della fisica moderna, sia a livello accademico che oltre, sono il calcolo quantistico e la comunicazione, che applicano fenomeni quantistici come la sovrapposizione e l'entanglement per eseguire calcoli, o per scambiare informazioni. Numerosi gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno costruito dispositivi quantistici in grado di eseguire calcoli più velocemente di qualsiasi computer classico. Ancora, c'è ancora molta strada da fare prima che questi dispositivi possano essere convertiti in computer quantistici commerciabili. Una ragione di ciò è che sia il calcolo quantistico che la comunicazione quantistica sono fortemente deteriorati dalla facilità con cui uno stato di sovrapposizione quantistica può essere distrutto, o l'entanglement tra due o più particelle quantistiche può essere perso.

L'approccio principale per superare queste limitazioni è l'applicazione dei cosiddetti codici quantistici di correzione degli errori. Questo, però, richiede una quantità di risorse superiore a quella attualmente realizzabile in modo controllato. Mentre, a lungo termine, è probabile che la correzione degli errori diventi parte integrante dei futuri dispositivi quantistici, un approccio complementare è quello di mitigare il rumore, ovvero l'effetto cumulativo di errori non corretti, senza fare affidamento su così tante risorse aggiuntive. Questi sono indicati come schemi di riduzione del rumore.

Mitigazione del rumore senza risorse aggiuntive attraverso semplici schemi quantistici

Recentemente è stato proposto un nuovo approccio lungo questa linea di ricerca per ridurre il rumore in uno schema di comunicazione tra due parti. Immagina due parti che vogliono comunicare scambiando una particella quantistica, tuttavia la particella deve essere inviata su alcune linee di trasmissione difettose (raffigurate nell'illustrazione artistica).

Recentemente, un team di ricercatori dell'Università di Hong-Kong ha proposto di ottenere una riduzione complessiva del rumore dirigendo la particella lungo una sovrapposizione quantistica di percorsi attraverso regioni di rumore in ordine opposto. In particolare, mentre classicamente una particella può viaggiare solo lungo un percorso, in meccanica quantistica può muoversi lungo più percorsi contemporaneamente. Se si usa questa proprietà per inviare la particella lungo due percorsi quantistici, uno può, ad esempio, guidare la particella attraverso le regioni rumorose contemporaneamente in ordine opposto. Questo effetto era stato dimostrato sperimentalmente da due ricerche indipendenti.

Questi risultati hanno suggerito che, per ottenere questa riduzione del rumore, è necessario porre le linee di trasmissione rumorose in una sovrapposizione quantistica di ordini opposti. Poco dopo questo, gruppi di ricerca a Vienna e a Grenoble si sono resi conto che questo effetto può essere ottenuto anche tramite configurazioni più semplici, che può anche eliminare completamente il rumore tra le due parti.

Tutti questi schemi sono stati ora implementati sperimentalmente e confrontati tra loro da un gruppo di ricerca guidato da Philip Walther dell'Università di Vienna. In questo lavoro, diversi modi di passare attraverso due regioni rumorose in sovrapposizione quantistica vengono confrontati per una varietà di tipi di rumore. I risultati sperimentali sono supportati anche da simulazioni numeriche per estendere lo studio a tipologie di rumore più generiche. Sorprendentemente, si trova che gli schemi più semplici per la sovrapposizione quantistica di canali rumorosi offrono anche la migliore riduzione del rumore che influenza la comunicazione.

"La correzione degli errori nelle moderne tecnologie quantistiche è tra le esigenze più urgenti degli attuali schemi di calcolo e comunicazione quantistica. Il nostro lavoro mostra che, almeno nel caso della comunicazione quantistica, già con le tecnologie attualmente in uso potrebbe essere possibile mitigare questo problema senza bisogno di risorse aggiuntive, "dice Giulia Rubino, primo autore della pubblicazione in Ricerca sulla revisione fisica . La facilità della tecnica dimostrata consente l'uso immediato nelle attuali comunicazioni a lunga distanza, e promette potenziali ulteriori applicazioni nel calcolo quantistico e nella termodinamica quantistica.