Gli stati dei grafici, una classe di stati quantistici entangled che possono essere rappresentati da grafici, sono stati oggetto di numerosi recenti studi di fisica, a causa delle loro proprietà intriganti. Queste proprietà uniche potrebbero renderli particolarmente promettenti per le applicazioni di calcolo quantistico, nonché per una gamma più ampia di tecnologie quantistiche.
In uno stato di grafo canonico, ciascun vertice di un grafico rappresenta un singolo qubit (bit quantico), mentre l'entanglement tra questi qubit è rappresentato come i bordi del grafico. Il concetto è stato anche generalizzato agli stati in cui le informazioni quantistiche sono archiviate non in singoli qubit ma in variabili continue, come l'ampiezza e la fase della luce.
Sebbene gli stati dei grafici abbiano mostrato il potenziale per migliorare alcuni strumenti di elaborazione delle informazioni quantistiche e di misurazione basati sui quanti, generarli per grafici arbitrari è impegnativo, poiché richiede un elevato livello di controllo sulle interazioni che generano entanglement.
I ricercatori della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory dimostrano la generazione di stati grafici a variabile continua di insiemi di spin atomici, che formano i vertici di un grafico. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , apre nuove opportunità per l'utilizzo di questi stati per realizzare nuovi sistemi di calcolo quantistico e metrologia.
"Il nostro recente lavoro si inserisce in un ampio sforzo per progettare stati quantistici entangled, in cui l'informazione è codificata non localmente nelle correlazioni tra due o più particelle", ha detto a Phys.org Monika Schleier-Smith, autrice senior dell'articolo. "Queste correlazioni quantistiche sono la risorsa essenziale per le tecnologie quantistiche immaginate che vanno dai computer quantistici ai sensori ultraprecisi."
Per essere implementati con successo in contesti del mondo reale, sia i computer quantistici che gli strumenti di misurazione ultraprecisi potenziati dal punto di vista quantistico dovrebbero essere scalabili e facilmente programmabili. In altre parole, dovrebbero essere in grado di sostenere l'entanglement non solo tra due ma molti atomi e consentire ai ricercatori di controllare le correlazioni nel sistema.
L'obiettivo principale del recente studio di Schleier-Smith, del suo studente laureato Eric Cooper e dei loro colleghi era quello di sviluppare un metodo per intrecciare gli atomi che sia scalabile e programmabile. Il metodo sviluppato prevede l'uso della tecnologia laser per controllare l'entanglement tra gli atomi in due o più sottosistemi.
"La tecnica sperimentale principale utilizzata nel mio laboratorio è la manipolazione degli atomi con la luce laser", ha affermato Schleier-Smith. "In primo luogo, utilizziamo la luce laser per raffreddare gli atomi a temperature vicine allo zero assoluto e per formare pinzette ottiche in cui questi atomi sono intrappolati nel fuoco di un raggio laser."
I ricercatori hanno utilizzato quattro pinzette ottiche per posizionare quattro nubi di atomi tra una coppia di specchi, formando quello che è noto come risonatore ottico. Si tratta essenzialmente di una "scatola" che immagazzina i fotoni, consentendo loro di rimbalzare ripetutamente avanti e indietro tra i due specchi.
"Penso che la luce all'interno del risonatore agisca come un messaggero che corre avanti e indietro tra gli atomi e trasmette informazioni tra loro, ma, soprattutto, lo fa segretamente, senza condividere le informazioni con il mondo esterno", Schleier-Smith spiegato. "Quella condivisione discreta di informazioni tra le nuvole atomiche consente loro di rimanere intrappolati."
Utilizzando il loro metodo sperimentale, i ricercatori sono stati in grado di progettare in modo efficace uno stato del grafico quadrato a quattro modalità. Il loro approccio dimostrato promette quindi di essere una soluzione scalabile ed efficiente per programmare l'entanglement tra i nodi quantistici e generare stati dei grafici.
"Ingenuamente, ci si potrebbe aspettare che sia necessario un controllo indipendente delle interazioni tra ciascuna coppia di nodi nella rete per avere il pieno controllo della struttura delle correlazioni quantistiche", ha affermato Schleier-Smith.
"Sarebbe come avere due persone qualsiasi in una rete sociale in grado di scambiarsi messaggi diretti. Tuttavia, abbiamo appreso che una classe molto ampia di stati intrecciati può essere preparata utilizzando solo interazioni globali, come trasmettere un messaggio a tutti nel social network, più un ingrediente aggiuntivo di controllo locale dei singoli nodi."
Il recente studio di Schleier-Smith e del suo gruppo di ricerca potrebbe aprire la strada verso un uso diffuso degli stati dei grafici per l’informatica quantistica e la metrologia quantistica. In futuro, il loro metodo potrebbe essere utilizzato per preparare stati entangled per applicazioni specifiche, che vanno dalla correzione degli errori quantistici al rilevamento quantistico.
"Nel breve termine, stiamo esplorando applicazioni al rilevamento e all'imaging quantistico:ad esempio, come progettiamo stati quantistici ottimizzati per riconoscere particolari modelli spaziali nei campi magnetici o ottici?" Schleier-Smith ha aggiunto.
“A lungo termine, speriamo di estendere il nostro metodo di ingegneria degli stati dei grafici entangled a matrici di atomi intrappolati individualmente che fungono da qubit per il calcolo quantistico. Ciò richiede progressi nella progettazione del risonatore per migliorare la forza delle interazioni atomo-luce. "
Ulteriori informazioni: Eric S. Cooper et al, Stati grafici di insiemi atomici progettati mediante entanglement mediato da fotoni, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02407-1
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