Lo studio, pubblicato in Physical Review Letters , delinea una mappa di trasmissione virtuale che crea copie correlate "virtualmente". Attraverso una serie di quattro teoremi, i ricercatori stabiliscono la fattibilità di questa mappa, che consente la creazione di copie correlate di stati quantistici nel tempo.

Inoltre, i ricercatori dimostrano la robustezza della struttura canonica, dimostrano la sua approssimazione fisica al clonatore universale e descrivono in dettaglio come la mappa può essere implementata.

La trasmissione quantistica virtuale promette di avere un impatto su molti campi dell'elaborazione delle informazioni quantistiche sfruttando le correlazioni basate sul tempo, evitando così le limitazioni imposte dal teorema della non clonazione.

Perché non possiamo copiare e incollare?

La meccanica quantistica, sebbene incredibilmente potente, è costruita in modo tale da impedire che le informazioni vengano replicate o copiate. Uno stato quantistico incapsula tutte le informazioni rilevanti nel sistema e collassa o cambia in uno dei possibili risultati della misurazione quando misurato o osservato.

Ciò significa che non possiamo copiare lo stato poiché deve essere misurato per poterlo fare. Questo principio è noto come teorema della non clonazione. In termini più semplici, non puoi semplicemente copiare e incollare le informazioni quantistiche come faresti con i dati classici.

Questa limitazione rappresenta un ostacolo significativo per i sistemi di comunicazione quantistica che si basano sulla capacità di trasmettere e riprodurre in modo efficiente le informazioni quantistiche.

Il gruppo di ricerca era composto dal Prof. Arthur Parzygnat del MIT, dal Prof. James Fullwood dell'Università di Hainan, dal Prof. Francesco Buscemi dell'Università di Nagoya e dal Prof. Giulio Chiribella dell'Università di Hong Kong, che hanno spiegato le loro motivazioni a Phys.org.

Erano motivati ​​da questo problema presentato dal teorema della non clonazione. Il loro scopo era studiare l'evoluzione degli stati quantistici nel tempo e comprendere cosa significasse "la correlazione non implica causalità" per gli stati puramente quantistici.

Trasmissione quantistica virtuale

"Il nostro modo per aggirare questo problema è stato introdurre canali di trasmissione quantistica virtuale che, sebbene non siano veri e propri processi fisici, hanno molte importanti applicazioni nell'elaborazione delle informazioni quantistiche", ha spiegato il prof. Parzygnat.

A differenza dei metodi di copia tradizionali, vietati dal teorema della non clonazione, questi canali o mappe di trasmissione virtuale funzionano virtualmente, nel senso che non implicano una replica fisica diretta.

Invece, la mappa stabilisce correlazioni tra diversi casi di uno stato quantistico, consentendo di fatto la trasmissione di informazioni senza violare i principi fondamentali della meccanica quantistica.

La mappa di trasmissione virtuale è unica e soddisfa tre semplici assiomi, che i ricercatori espongono nel teorema 1. Gli assiomi che governano la mappa di trasmissione virtuale garantiscono coerenza in caso di cambiamenti in:

• Il quadro di riferimento.
• Simmetria tra le estremità riceventi.
• La capacità di copiare informazioni classiche senza essere influenzata dalla decoerenza.

Questi sono i requisiti di base di una mappa di trasmissione virtuale.

I ricercatori dimostrano inoltre (nel teorema 2) che un'approssimazione fisica di tale mappa potrebbe essere creata utilizzando un cloner universale, un dispositivo in grado di rendere possibili le copie più fedeli di uno stato quantistico arbitrario.

Successivamente, i ricercatori mostrano come la mappa di trasmissione possa essere ottenuta mediante scomposizione (teorema 3). Stabilisce che la mappa può essere scomposta in due operazioni:

• Un protocollo di misurazione e preparazione prevede l'esecuzione di una misurazione virtuale sul sistema quantistico per creare un'esecuzione virtuale di una misurazione virtuale sul sistema quantistico.
• Successivamente, vengono generate due copie dello stato quantico virtuale in base ai risultati della misurazione virtuale eseguita nel passaggio precedente.

Infine, stabiliscono (nel teorema 4) l'equivalenza tra l'azione di una funzione di evoluzione del tempo e l'azione della mappa di broadcasting virtuale su qualsiasi stato arbitrario. Ciò implica che la mappa di trasmissione virtuale si comporta come un'operazione temporale, consentendo la creazione di copie virtuali correlate di stati quantistici nel tempo.

"La caratteristica più interessante di questo lavoro è che la mappa è caratterizzata in modo univoco da un semplice insieme di requisiti naturali. Ecco perché la chiamiamo canonica. Una proprietà così unica, a sua volta, sembra puntare a una parte completamente nuova della teoria quantistica, cioè la sua struttura temporale, che è ancora in gran parte inesplorata," ha spiegato il Prof. Buscemi.

Impatto sulle applicazioni quantistiche

Stabilendo un teorema di trasmissione quantistica virtuale, i ricercatori hanno portato alla luce una serie di nuove possibilità per l'informatica quantistica, l'informazione quantistica e la crittografia quantistica.

"Una strada che trovo particolarmente interessante, e su cui sto attualmente lavorando con il Prof. Parzygnat, è come uno stato di trasmissione virtuale possa potenzialmente codificare le statistiche di misurazione di due misurazioni separate nel tempo in un dato laboratorio", ha affermato il Prof. Fullwood.

Questo fenomeno suggerisce che lo stato di trasmissione virtuale, come delineato, cattura non solo i valori attesi ma anche le probabilità dei risultati delle misurazioni congiunte.

Ciò supporta l'interpretazione della trasmissione virtuale come un processo spaziotemporale che rispecchia il flusso di informazioni quantistiche nel tempo, "simile a come lo spaziotempo incapsula l'evoluzione dello spazio nel tempo", ha aggiunto il prof. Fullwood.

I ricercatori sottolineano inoltre che la trasmissione virtuale rivela la struttura nascosta dietro molte tecnologie dell’informazione quantistica. Il Prof. Chiribella lo spiega con un esempio nel contesto della comunicazione quantistica:"Un modo naturale per un intercettatore di intercettare un canale di comunicazione quantistica è tentare di copiare gli stati quantistici."

"A quanto pare, il miglior modo approssimativo per copiare lo stato quantistico è realizzare un'approssimazione fisica della nostra trasmissione virtuale."

Questa comprensione può migliorare le misure di sicurezza nella comunicazione quantistica offrendo approfondimenti sulle potenziali tecniche di intercettazione e sulle relative contromisure.

I ricercatori ci indicano che stiamo entrando in una nuova area della teoria quantistica precedentemente considerata non ortodossa o vietata, come la misurazione diretta dell'accuratezza nei dispositivi quantistici, come consentito dalla mappa di trasmissione virtuale.

"Forse qui si possono trovare le risposte a tante domande fondamentali", ha concluso il Prof. Buscemi.