Il governo quantistico – uno strano fenomeno non locale simile all’entanglement quantistico – non può essere perfettamente replicato da alcuna operazione congiunta tra il sistema governato e un sistema esterno. Questo nuovo teorema di “non clonazione” è il risultato del lavoro di ricercatori cinesi che hanno studiato la situazione che si verifica quando una delle due parti che condividono uno stato quantistico non si fida della fonte delle particelle quantistiche utilizzate per creare quello stato. Oltre ad essere importante per la fisica fondamentale, la scoperta potrebbe avere implicazioni per la crittografia e l’informatica quantistica.
I computer convenzionali memorizzano le informazioni come “bit” che hanno un valore di 1 o 0. I computer quantistici, al contrario, memorizzano le informazioni in sistemi quantistici a due livelli come gli stati di polarizzazione orizzontale e verticale dei fotoni o lo “spin up” e “ spin down” degli elettroni. Gli stati di questi bit quantistici, o qubit, non sono limitati a 0 e 1; possono anche esistere in una combinazione intermedia nota come sovrapposizione. Tuttavia, lo stato completo di un sistema quantistico non potrà mai essere completamente conosciuto, il che significa che è vietata la perfetta duplicazione dei qubit. Questo è il cosiddetto teorema di “no-cloning” e costituisce la base della crittografia quantistica.
Un altro principio importante è che due o più qubit possono diventare entangled, il che significa che hanno una relazione molto più stretta di quanto consentito dalla fisica classica. Quando due qubit sono entangled, la misurazione dello stato di uno di essi ti dice automaticamente lo stato del secondo, non importa quanto distanti possano essere. Ad esempio, se conosci lo spin di una particella, puoi determinare quello dell'altra.
Albert Einstein trovò questo aspetto dell'entanglement inquietante, poiché implicava che le particelle impigliate potessero influenzarsi reciprocamente lo stato in modo non locale - qualcosa che chiamò "azione spettrale a distanza". In un articolo pubblicato nel 1935, lui e i suoi colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen si opposero a questa forma di nonlocalità, che divenne nota come il paradosso EPR dalle loro iniziali. Ricerche successive, tuttavia, hanno dimostrato che la loro argomentazione non è corretta: il Premio Nobel 2022 per la Fisica si è rivolto a un trio di sperimentali che, basandosi sul lavoro del defunto teorico John Stewart Bell, hanno dimostrato che l’entanglement (e quindi la nonlocalità) è effettivamente parte del nostro mondo fisico.
Il “principio di non clonazione”
Tuttavia, l’entanglement quantistico non è l’unica forma di nonlocalità nella teoria quantistica. Un altro tipo, noto come sterzo quantistico, fu introdotto per la prima volta da Erwin Schrödinger come generalizzazione del paradosso EPR. Nell'entanglement quantistico, le due parti coinvolte in una transazione quantistica (conosciute tradizionalmente come Alice e Bob), si fidano entrambe della fonte delle particelle quantistiche utilizzate per generare i rispettivi stati. Lo sterzo quantistico introduce un’asimmetria in questo assetto: ora solo una fonte (quella di Alice, per esempio) è affidabile. Ciò consente ad Alice di “governare” lo stato delle particelle osservate da Bob, il che significa che le misurazioni effettuate sulla sua metà della coppia di particelle entangled influenzano lo stato della metà di Bob in un modo che non può essere spiegato classicamente.
Il “principio di non clonazione” dimostrato nel nuovo lavoro contribuisce alla nostra comprensione di questa forma di nonlocalità. "Il teorema originale di non clonazione afferma che nessuna operazione fisica può copiare perfettamente uno stato quantistico sconosciuto", spiega Fu-Lin Zhang, che ha guidato un team di ricercatori presso l' Dipartimento di Fisica dell'Università di Tianjin e la Istituto Chern di Matematica dell'Università di Nankai. “La nostra scoperta indica che la guida quantistica in uno stato noto non può essere copiata perfettamente se lo stato è ‘troppo quantistico’.”
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I ricercatori hanno anche scoperto che un tipo di correlazione quantistica strettamente correlato chiamato sterzo EPR può essere parzialmente clonato. Lo sterzo EPR esiste in stati che possono essere utilizzati per dimostrare in modo convincente lo sterzo quantistico anche se l'osservatore degli stati guidati non si fida del misuratore. Può quindi essere considerata una proprietà quantistica “più forte” rispetto alla guida quantistica, spiega Zhang. "Nei compiti di informazione quantistica tra Alice e Bob attaccati da una terza parte, 'Charlie', utilizzando una macchina di clonazione, il nostro risultato stabilisce soglie sullo sterzo EPR tra Alice e Bob per escludere lo sterzo EPR tra Alice e Charlie", dice Mondo della fisica.
“La non clonazione del governo quantistico è una conseguenza della sovrapposizione quantistica, così come lo sono i teoremi originali di no-cloning e no-go”, aggiunge, “e la nostra dimostrazione si basa sul cosiddetto teorema di no-broadcasting, che è un sistema esteso senza clonazione di stati “misti” (in sistemi compositi).”
I ricercatori stanno ora esaminando come i gradi di “quantità” influenzano altri teoremi “no-go”. «Stiamo studiando protocolli di condivisione della nonlocalità e di altri tipi di informazioni quantistiche tra più osservatori nel quadro della clonazione quantistica», rivela Zhang. “Il tema della condivisione della nonlocalità e delle informazioni è fondamentale nella scienza dell’informazione quantistica”.
Il lavoro è dettagliato in Lettere cinesi di fisica.
