Isacco Nape, un talento emergente sudafricano nello studio dell'ottica quantistica, fa parte di un team di fisici di Wits che ha condotto uno studio internazionale che ha rivelato le strutture nascoste degli stati quantistici entangled. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica, Comunicazioni sulla natura , di venerdì, 27 agosto 2021.

Nape sta perseguendo il suo dottorato di ricerca. presso la Wits University e si concentra sullo sfruttamento di modelli strutturati di luce per la codifica e la decodifica di informazioni ad alta dimensione da utilizzare nella comunicazione quantistica.

All'inizio di quest'anno ha vinto due premi alla conferenza del South African Institute of Physics (SAIP) da aggiungere alla sua crescente collezione di riconoscimenti nel campo dell'ottica e della fotonica. Ha vinto il premio per "Miglior Ph.D. presentazione orale in fisica applicata, " e insieme ha vinto il premio per il "Miglior dottorato di ricerca. presentazione orale in fotonica."

A maggio, è stato anche insignito della prestigiosa borsa di studio per l'educazione ottica e fotonica 2021 dalla SPIE, la società internazionale di ottica e fotonica, per i suoi potenziali contributi nel campo dell'ottica, fotonica o campo correlato.

Elaborazione più veloce e più sicura

Ora Nape e i suoi colleghi di Wits, insieme a collaboratori scozzesi e taiwanesi offrono uno strumento nuovo e veloce per l'informatica e la comunicazione quantistica. "Gli stati quantistici che sono impigliati in molte dimensioni sono la chiave per le nostre tecnologie quantistiche emergenti, dove più dimensioni significano una maggiore larghezza di banda quantistica (più veloce) e una migliore resilienza al rumore (sicurezza), cruciale per una comunicazione veloce e sicura e per accelerare il calcolo quantistico senza errori.

"Quello che abbiamo fatto qui è inventare un nuovo approccio per sondare questi stati quantistici 'ad alta dimensione', riducendo il tempo di misurazione da decenni a minuti, "Nape spiega.

Nape ha lavorato con il distinto professor Andrew Forbes, capo ricercatore di questo studio e direttore del Laboratorio di luce strutturata presso la School of Physics di Wits, nonché borsista post-dottorato Dr. Valeria Rodriguez-Fajardo, visitando il ricercatore taiwanese Dr. Hasiao-Chih Huang, e il Dr. Jonathan Leach e il Dr. Feng Zhu della Heriot-Watt University in Scozia.

Sei quantistico o no?

Nel loro articolo intitolato "Misurare la dimensionalità e la purezza degli stati entangled ad alta dimensione, " il team ha delineato un nuovo approccio alla misurazione quantistica, testandolo su uno stato di entanglement quantistico a 100 dimensioni.

Con approcci tradizionali, il tempo di misurazione aumenta sfavorevolmente con la dimensione, in modo che per svelare uno stato a 100 dimensioni con una tomografia a stato quantistico completo ci vorrebbero decenni. Anziché, il team ha mostrato che le informazioni salienti del sistema quantistico, il numero di dimensioni entangled e il loro livello di purezza, potevano essere dedotte in pochi minuti. Il nuovo approccio richiede solo semplici proiezioni che potrebbero essere facilmente eseguite nella maggior parte dei laboratori con strumenti convenzionali. Usando la luce come esempio, il team utilizzando un approccio completamente digitale per eseguire le misurazioni.

Il problema, spiega Nape, è che mentre gli stati ad alta dimensionalità sono facilmente realizzabili, in particolare con particelle di luce entangled (fotoni), non sono facili da misurare:la cassetta degli attrezzi esistente per misurarli e controllarli è quasi vuota.

Puoi pensare a uno stato quantistico ad alta dimensione come le facce di un dado. Un dado convenzionale ha sei facce, numerati da uno a sei, per un alfabeto a sei dimensioni che può essere utilizzato per l'informatica o per il trasferimento di informazioni nella comunicazione. Fare "dadi ad alta dimensione" significa creare dadi con molte più facce:100 dimensioni equivalgono a 100 facce, un poligono piuttosto complicato.

"Nel nostro mondo di tutti i giorni, sarebbe facile contare i volti per sapere che tipo di risorsa avevamo a nostra disposizione, ma non così nel mondo quantistico. Nel mondo quantistico, non puoi mai vedere l'intero morire, quindi contare le facce è molto difficile. Il modo per aggirare questo problema è fare una tomografia, come fanno nel mondo medico, costruire un'immagine da molti, molte fette dell'oggetto, " spiega Nape.

Ma le informazioni negli oggetti quantistici possono essere enormi, quindi il tempo per questo processo è proibitivo. Un approccio più rapido è una misurazione Bell, un famoso test per capire se quello che hai davanti è impigliato, come chiedergli "sei quantistico o no?" Ma mentre questo conferma le correlazioni quantistiche dei dadi, non dice molto sul numero di facce che ha.

Possibilità di scoperta

"Il nostro lavoro ha aggirato il problema per una scoperta casuale, che esiste una serie di misurazioni che non è una tomografia e non una misurazione Bell, ma che contiene informazioni importanti su entrambi, " dice Nape. "In gergo tecnico, abbiamo unito questi due approcci di misurazione per fare proiezioni multiple che sembrano una tomografia ma misurando la visibilità del risultato, come se fossero misure di Bell. Questo ha rivelato le informazioni nascoste che potrebbero essere estratte dalla forza delle correlazioni quantistiche attraverso molte dimensioni".

Primo e veloce

La combinazione di velocità dall'approccio simile a Bell e informazioni dall'approccio simile alla tomografia significava che i parametri quantistici chiave come la dimensionalità e la purezza dello stato quantistico potevano essere determinati rapidamente e quantitativamente, il primo approccio per farlo.

"Non stiamo suggerendo che il nostro approccio sostituisca altre tecniche, "dice Forbes. "Piuttosto, lo vediamo come una rapida indagine per rivelare con cosa hai a che fare, e quindi utilizzare queste informazioni per prendere una decisione informata su cosa fare dopo. Un caso di cavalli da corsa."

Per esempio, il team vede il loro approccio come cambiare il gioco nei collegamenti di comunicazione quantistica del mondo reale, dove è cruciale una misurazione rapida di quanto sia diventato rumoroso quello stato quantistico e di ciò che questo ha fatto alle dimensioni utili.