Negli ultimi anni, ci sono stati progressi significativi nello sviluppo di computer e simulatori quantistici digitali. Questi sistemi fisici emergenti stanno aprendo possibilità senza precedenti per il controllo e la misurazione di una varietà di dinamiche quantistiche. Di conseguenza, alcune questioni fondamentali nella fisica a molti corpi che in precedenza sarebbero state considerate speculative e al di fuori del regno dell'esplorazione sperimentale possono ora essere esaminate in contesti di laboratorio.

I ricercatori della Stanford University hanno recentemente condotto uno studio che esplora il ruolo delle misurazioni quantistiche nella dinamica a molti corpi. Nella loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , hanno presentato specificamente un protocollo che può essere utilizzato per realizzare dinamiche che includono misurazioni quantistiche in computer quantistici e simulatori quantistici, evitando un passaggio procedurale noto come postselezione.

"Le misurazioni hanno un posto speciale nella fisica quantistica:fanno sì che il sistema "collassa" improvvisamente su uno dei tanti possibili risultati di misurazione, scelto a caso, "Matteo Ippoliti e Vedika Khemani, i due ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ad esempio, pensa al gatto di Schrodinger in una "sovrapposizione" di vivo e morto in una scatola:non appena la scatola viene aperta, lo stato del gatto crolla a vivo o morto. In contrasto, i sistemi quantistici "lasciati soli" evolvono in modo deterministico, noto anche come dinamica 'unitaria'."

Negli ultimi anni, in parte motivato dai recenti progressi nello sviluppo di dispositivi di calcolo quantistico, molti ricercatori hanno iniziato a studiare l'interazione tra le misurazioni quantistiche e la dinamica unitaria a molti corpi. interessante, hanno predetto che gli stati prodotti da questi dispositivi avrebbero esibito una serie variegata di nuovi fenomeni. Successivamente, queste osservazioni sono diventate il fulcro di numerosi studi teorici.

"Da un punto di vista sperimentale, la casualità delle misurazioni quantistiche pone un grosso problema:per rendere affidabile lo stesso stato (necessario per misurare le sue proprietà, o per utilizzarlo nelle applicazioni), si deve replicare la stessa sequenza casuale di risultati di misurazione più e più volte, " Spiegarono Ippoliti e Khemani. "Questo è un evento esponenzialmente raro, come lanciare una moneta molte volte e ottenere una sequenza dritta di teste, e non è una limitazione tecnica ma piuttosto una conseguenza delle regole di base della meccanica quantistica. Questo è il problema della 'post-selezione'".

Per misurare l'entanglement in dinamiche non unitarie, i ricercatori dovrebbero ripetere un esperimento molte volte per soddisfare questo requisito di "post-selezione", che sarebbe proibitivamente difficile. L'obiettivo primario dello studio condotto da Ippoliti e Khemani è stato quello di ideare una strategia per consentire la realizzazione sperimentale di queste dinamiche senza la necessità di post-selezione. Hanno proposto che ciò potrebbe essere ottenuto scambiando i ruoli di spazio e tempo, sfruttando un'idea nota come dualità spazio-temporale.

"In parole povere, immagina di avere una serie di bit quantistici (qubit) nel tuo laboratorio, disposti su una linea, alle posizioni uno, Due, eccetera., " Dissero Ippoliti e Khemani. "Questi possono essere fatti interagire con i loro vicini e quindi evolversi nel tempo, descrivere un calcolo quantistico. Ora immagina un sistema "virtuale" che esiste nella direzione del tempo del laboratorio e si evolve nella direzione dello spazio:passare da uno a due qubit in laboratorio significa evolvere questo sistema virtuale per un'unità di tempo, eccetera."

L'"evoluzione virtuale" del sistema esaminato dai ricercatori si è rivelata non unitaria, il che significa essenzialmente che include alcuni elementi di misurazione. Questi elementi, però, sono completamente deterministici e possono essere riprodotti in modo affidabile e ripetuto. Questa caratteristica cruciale ha permesso loro di tradurre la loro idea in un protocollo per realizzare e studiare le dinamiche di entanglement nei simulatori quantistici.

"Le idee alla base del nostro studio possono sembrare piuttosto astratte, ma li traduciamo in un protocollo specifico che può essere eseguito sugli attuali simulatori quantistici digitali, " Dissero Ippoliti e Khemani. "Questo crea un percorso diretto per studiare sperimentalmente questi nuovi tipi di dinamica quantistica che coinvolgono misurazioni, portando anche alcune interessanti idee teoriche più vicine alla realizzazione."

Nel futuro, il protocollo ideato da Ippoliti e Khemani potrebbe aprire nuove possibilità per studiare le dinamiche di entanglement nei sistemi quantistici. Inoltre, il loro lavoro potrebbe favorire lo sviluppo di nuove strategie per proteggere le informazioni archiviate in dispositivi quantistici esistenti e di nuova concezione. L'idea della "dualità spazio-temporale" introdotta da questi ricercatori potrebbe essere utilizzata anche per studiare numerosi fenomeni fisici e dinamiche associate ai sistemi quantistici.

"Stiamo attualmente esplorando i tipi di stati interessanti che possono essere preparati in questo modo, e come possono connettersi alle fasi della materia quantistica che conosciamo, Ippoliti e Khemani hanno aggiunto. "Su una nota più generale, la nostra ricerca sarà informata da questa nuova era di calcolo quantistico e simulazione, con due obiettivi:da un lato, scoprire nuovi fenomeni fondamentali resi possibili da questo progresso tecnologico; dall'altra, perseguire nuove idee fondamentali che possono avere un impatto per le tecnologie stesse, modi particolarmente nuovi per archiviare e manipolare le informazioni quantistiche informate dalla dinamica".

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