Il simulatore quantistico visualizza l'entanglement su larga scala nei materiali – Physics World

I fisici austriaci hanno trovato un modo rapido ed efficiente per estrarre informazioni sulla struttura di entanglement su larga scala di un materiale quantistico grazie a un teorema vecchio di 50 anni della teoria quantistica dei campi. Il nuovo metodo potrebbe aprire le porte a campi come l’informazione quantistica, la chimica quantistica o anche la fisica delle alte energie.

L'entanglement quantistico è un fenomeno per cui l'informazione contenuta in un insieme di particelle è codificata in correlazioni tra loro. Non è possibile accedere a queste informazioni sondando le particelle individualmente, ed è una caratteristica essenziale della meccanica quantistica, che distingue chiaramente il mondo quantistico dal mondo classico. Oltre ad essere fondamentale per l’informatica quantistica e la comunicazione quantistica, l’entanglement influenza pesantemente le proprietà di una classe emergente di materiali esotici. Una sua comprensione più profonda potrebbe quindi aiutare gli scienziati a comprendere e risolvere i problemi nella scienza dei materiali, nella fisica della materia condensata e oltre.

Il problema è che apprendere l’entanglement interno di un gran numero di particelle aggrovigliate è notoriamente difficile, poiché la complessità delle correlazioni aumenta esponenzialmente con il numero di particelle. Questa complessità rende impossibile per un computer classico simulare materiali costituiti da tali particelle. I simulatori quantistici sono meglio attrezzati per questo compito, poiché possono rappresentare la stessa complessità esponenziale del materiale target che stanno simulando. Tuttavia, l’estrazione delle proprietà di entanglement di un materiale con tecniche standard richiede ancora un numero di misurazioni estremamente elevato.

Simulatore quantistico

Nel loro nuovo e più efficiente metodo per valutare la forza dell’entanglement di un sistema, i ricercatori dell’Università di Innsbruck e del vicino Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica (IQOQI) hanno interpretato la forza dell’entanglement in termini di temperatura locale. Mentre le regioni altamente correlate del materiale quantistico appaiono “calde” in questo metodo, le regioni debolmente correlate appaiono “fredde”. Fondamentalmente, la forma esatta di questo campo di temperatura che varia localmente è prevista dalla teoria quantistica dei campi, consentendo al team di misurare i profili di temperatura in modo più efficiente di quanto fosse possibile con i metodi precedenti.

Per simulare un materiale quantistico entangled, il team di Innsbruck-IQOQI ha utilizzato un sistema di 51 ⁴⁰Ca⁺ ioni tenuti in posizione all'interno di una camera a vuoto dal campo elettrico oscillante di un dispositivo chiamato trappola lineare di Paul. Questa configurazione consente di controllare individualmente ogni ione e di leggerne lo stato quantico con elevata precisione. I ricercatori hanno potuto determinare rapidamente i giusti profili di temperatura inserendo un circuito di feedback tra il sistema e un computer (classico) che genera costantemente nuovi profili e li confronta con le misurazioni effettive nell’esperimento. Hanno quindi effettuato misurazioni per estrarre proprietà come l’energia del sistema. Infine, hanno studiato la struttura interna degli stati del sistema studiando i profili di “temperatura”, che hanno permesso loro di determinare l’entanglement.

Regioni calde e fredde

I profili di temperatura ottenuti dal team mostrano che le regioni che sono fortemente correlate con le particelle circostanti possono essere considerate “calde” (cioè altamente entangled) e quelle che interagiscono molto poco possono essere considerate “fredde” (debolmente entangled). I ricercatori hanno anche confermato, per la prima volta, le previsioni della teoria quantistica dei campi adattata agli stati fondamentali (o stati di bassa temperatura) dei materiali tramite il teorema Bisognano-Wichmann, proposto per la prima volta nel 1975 come un modo per mettere in relazione alcune trasformazioni di Lorentz nello spaziotempo alle trasformazioni di carica, parità e tempo. Inoltre, il metodo ha permesso loro di visualizzare il passaggio dagli stati fondamentali debolmente entangled agli stati eccitati fortemente entangled del materiale quantistico.

Guida del gruppo Peter zoller, che ricopre incarichi sia a Innsbruck che all'IQOQI, afferma che i risultati e le tecniche – protocolli quantistici eseguiti su un simulatore quantistico – utilizzati per ottenerli sono generalmente applicabili alla simulazione di materiali quantistici. Per questo motivo, ritiene che abbiano una grande importanza per la scienza e la tecnologia dell’informazione quantistica, nonché per la simulazione quantistica. "Per gli esperimenti futuri [vorremmo] farlo con altre piattaforme e sistemi modello più complicati/interessanti", dice Mondo della fisica. “I nostri strumenti e le nostre tecniche sono molto generali”.

L'intreccio diventa caldo e disordinato

Marcello Dalmonte, fisico del Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam in Italia, non coinvolto nella ricerca, definisce i risultati “un vero pioniere”. A suo avviso, il metodo porta la nostra comprensione sperimentalmente verificabile dell’entanglement a un nuovo livello, svelandone tutta la complessità. Ritiene inoltre che la tecnica migliorerà la nostra comprensione della relazione tra entanglement e fenomeni fisici ed è entusiasta della possibilità di utilizzarla per risolvere questioni chiave della fisica teorica, come raggiungere una migliore comprensione della struttura dell'entanglement dell'operatore per gli stati misti. Un’altra possibile area da esplorare potrebbe essere l’entanglement reciproco tra pezzi di materia, anche se Dalmonte aggiunge che ciò richiederebbe ulteriori miglioramenti al protocollo, incluso l’aumento della sua scalabilità.

La ricerca è descritta in Natura.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/