I ricercatori dell'Università di Innsbruck hanno sviluppato un metodo per rendere misurabili proprietà precedentemente difficilmente accessibili nei sistemi quantistici. Il nuovo metodo per determinare lo stato quantistico nei simulatori quantistici riduce il numero di misurazioni necessarie e rende il lavoro con i simulatori quantistici molto più efficiente.

In pochi anni, una nuova generazione di simulatori quantistici potrebbe fornire approfondimenti che non sarebbero possibili utilizzando simulazioni su supercomputer convenzionali. I simulatori quantistici sono in grado di elaborare una grande quantità di informazioni poiché sovrappongono meccanicamente un numero enorme di stati di bit. Per questa ragione, però, si rivela anche difficile leggere queste informazioni dal simulatore quantistico. Per poter ricostruire lo stato quantistico, è necessario un numero molto elevato di misurazioni individuali. Il metodo utilizzato per leggere lo stato quantistico di un simulatore quantistico è chiamato tomografia a stati quantistici.

"Ogni misurazione fornisce un'"immagine in sezione trasversale" dello stato quantico. Quindi metti insieme queste immagini in sezione trasversale per formare lo stato quantico completo, " spiega il fisico teorico Christian Kokail del team di Peter Zoller presso l'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica presso l'Accademia austriaca delle scienze e il Dipartimento di fisica sperimentale dell'Università di Innsbruck. Il numero di misurazioni necessarie in laboratorio aumenta molto rapidamente con il dimensione del sistema. "Il numero di misurazioni cresce esponenzialmente con il numero di qubit, " dice il fisico. I ricercatori di Innsbruck sono ora riusciti a sviluppare un metodo molto più efficiente per i simulatori quantistici.

Metodo efficiente che fornisce nuove intuizioni

Le intuizioni della teoria quantistica dei campi consentono alla tomografia a stato quantistico di essere molto più efficiente, cioè., da eseguire con un numero significativamente inferiore di misurazioni. "La cosa affascinante è che non era affatto chiaro fin dall'inizio che le previsioni della teoria quantistica dei campi potessero essere applicate ai nostri esperimenti di simulazione quantistica, "dice il fisico teorico Rick van Bijnen. "Studiare vecchi articoli scientifici su questo campo ci ha portato su questa strada". La teoria dei campi quantistici fornisce la struttura di base dello stato quantistico nel simulatore quantistico. Sono quindi necessarie solo poche misurazioni per adattarsi i dettagli in questo quadro di base.

Basato su questo, i ricercatori di Innsbruck hanno sviluppato un protocollo di misurazione mediante il quale la tomografia dello stato quantistico diventa possibile con un numero di misurazioni drasticamente ridotto. Allo stesso tempo, il nuovo metodo consente di ottenere nuove intuizioni sulla struttura dello stato quantistico. I fisici hanno testato il nuovo metodo con i dati sperimentali di un simulatore quantistico di trappola ionica del gruppo di ricerca di Innsbruck guidato da Rainer Blatt e Christian Roos. "Nel processo, ora siamo stati in grado di misurare proprietà dello stato quantistico che in precedenza non erano osservabili in questa qualità, "racconta Kokail.

Verifica del risultato

Un protocollo di verifica sviluppato dal gruppo insieme ad Andreas Elben e Benoit Vermersch due anni fa può essere utilizzato per verificare se la struttura dello stato quantistico corrisponde effettivamente alle aspettative della teoria quantistica dei campi. "Possiamo utilizzare ulteriori misurazioni casuali per verificare se la struttura di base per la tomografia che abbiamo sviluppato sulla base della teoria si adatta effettivamente o è completamente sbagliata, " spiega Christian Kokail.

Il protocollo solleva una bandiera rossa se il framework non si adatta. Certo, questa sarebbe anche una scoperta interessante per i fisici, perché potrebbe fornire indizi per la relazione non ancora completamente compresa con la teoria quantistica dei campi. Al momento, i fisici attorno a Peter Zoller stanno sviluppando protocolli quantistici in cui la struttura di base dello stato quantistico non è memorizzata su un computer classico, ma è realizzato direttamente sul simulatore quantistico.

Lo studio è pubblicato su Fisica della natura .