L'entanglement è un fenomeno quantistico in cui le proprietà di due o più particelle vengono interconnesse in modo tale che non è più possibile assegnare uno stato definito a ciascuna singola particella. Dobbiamo piuttosto considerare contemporaneamente tutte le particelle che condividono un certo stato. L'aggrovigliamento delle particelle determina in ultima analisi le proprietà di un materiale.
"L'entanglement di molte particelle è la caratteristica che fa la differenza", afferma Christian Kokail, uno dei primi autori dell'articolo pubblicato su Nature . "Allo stesso tempo, però, è molto difficile determinarlo."
I ricercatori guidati da Peter Zoller dell’Università di Innsbruck e dell’Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica (IQOQI) dell’Accademia austriaca delle scienze (ÖAW) forniscono ora un nuovo approccio che può migliorare significativamente lo studio e la comprensione dell’entanglement nei materiali quantistici .
Per descrivere grandi sistemi quantistici ed estrarre da essi informazioni sull’entanglement esistente, bisognerebbe ingenuamente eseguire un numero incredibilmente elevato di misurazioni. "Abbiamo sviluppato una descrizione più efficiente, che ci consente di estrarre informazioni sull'entanglement dal sistema con un numero drasticamente inferiore di misurazioni", spiega il fisico teorico Rick van Bijnen.
In un simulatore quantistico di trappola ionica con 51 particelle, gli scienziati hanno imitato un materiale reale ricreandolo particella per particella e studiandolo in un ambiente di laboratorio controllato. Pochissimi gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno il controllo necessario di così tante particelle come i fisici sperimentali di Innsbruck guidati da Christian Roos e Rainer Blatt.
"La principale sfida tecnica che affrontiamo qui è come mantenere bassi tassi di errore controllando al contempo 51 ioni intrappolati nella nostra trappola e garantendo la fattibilità del controllo e della lettura dei singoli qubit", spiega lo sperimentalista Manoj Joshi.
In questo modo gli scienziati hanno potuto constatare per la prima volta effetti dell'esperimento che in precedenza erano stati descritti solo teoricamente. "Qui abbiamo combinato conoscenze e metodi che abbiamo scrupolosamente elaborato insieme negli ultimi anni. È impressionante vedere che è possibile fare queste cose con le risorse disponibili oggi", afferma Kokail, che recentemente si è unito all'Institute for Theoretical Atomic Molecular and Fisica ottica ad Harvard.
In un materiale quantistico, le particelle possono essere più o meno fortemente legate. Le misurazioni su una particella fortemente intrecciata producono solo risultati casuali. Se i risultati delle misurazioni fluttuano molto, cioè se sono puramente casuali, allora gli scienziati si riferiscono a questo come “caldo”. Se la probabilità di un certo risultato aumenta, si tratta di un oggetto quantistico "freddo". Solo la misurazione di tutti gli oggetti impigliati rivela lo stato esatto.
Nei sistemi costituiti da moltissime particelle, lo sforzo per la misurazione aumenta enormemente. La teoria quantistica dei campi ha previsto che alle sottoregioni di un sistema di molte particelle entangled possa essere assegnato un profilo di temperatura. Questi profili possono essere utilizzati per ricavare il grado di entanglement delle particelle.
Nel simulatore quantistico di Innsbruck, questi profili di temperatura vengono determinati tramite un circuito di feedback tra un computer e il sistema quantistico, con il computer che genera costantemente nuovi profili e li confronta con le misurazioni effettive nell'esperimento.
I profili di temperatura ottenuti dai ricercatori mostrano che le particelle che interagiscono fortemente con l'ambiente sono "calde" e quelle che interagiscono poco sono "fredde".
"Ciò è esattamente in linea con le aspettative secondo cui l'entanglement è particolarmente ampio laddove l'interazione tra le particelle è forte", afferma Kokail.
"I metodi che abbiamo sviluppato forniscono un potente strumento per studiare l'entanglement su larga scala nella materia quantistica correlata. Ciò apre le porte allo studio di una nuova classe di fenomeni fisici con simulatori quantistici già disponibili oggi", afferma Zoller.
"Con i computer classici, tali simulazioni non possono più essere calcolate con uno sforzo ragionevole." I metodi sviluppati a Innsbruck verranno utilizzati anche per testare nuove teorie su tali piattaforme.
Ulteriori informazioni: Peter Zoller, Esplorazione dell'entanglement su larga scala nella simulazione quantistica, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06768-0. www.nature.com/articles/s41586-023-06768-0
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Innsbruck
