La misurazione debole consente ai fisici quantistici di avere la loro torta e mangiarsela – Physics World

Rispetto allo scarabocchio di espressioni matematiche per gli stati quantici correlati su un foglio di carta, produrre un vero entanglement è un compito complicato. In laboratorio, i fisici possono affermare che uno stato quantistico preparato è correlato all’entanglement solo dopo aver superato un test di verifica dell’entanglement, e tutte le strategie di test convenzionali presentano un grave inconveniente: distruggono l’entanglement nel processo di certificazione. Ciò significa che, dopo la certificazione, gli sperimentatori devono preparare nuovamente il sistema nello stesso stato se vogliono utilizzarlo, ma ciò presuppone che si fidino della loro fonte per produrre in modo affidabile lo stesso stato ogni volta.

In un nuovo studio, fisici guidati da Hyeon-Jin Kim del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hanno trovato un modo per aggirare questo presupposto di fiducia. Lo hanno fatto perfezionando le strategie di certificazione dell’entanglement convenzionale (CE) in un modo che preclude la completa distruzione dell’entanglement iniziale, rendendo possibile il suo recupero (anche se con probabilità <1) insieme alla sua certificazione.

Uno stato misterioso con una definizione precisa

L'entanglement, per quanto misterioso possa sembrare, ha una definizione molto precisa all'interno della meccanica quantistica. Secondo la teoria quantistica, i sistemi compositi (cioè due o più sistemi considerati come un'unità congiunta) sono separabili o intrecciati. In un sistema separabile, come suggerisce il nome, a ciascun sottosistema può essere assegnato uno stato indipendente. In un sistema entangled, tuttavia, ciò non è possibile perché i sottosistemi non possono essere visti come indipendenti; come dice la massima, “il tutto è maggiore delle sue parti”. L’entanglement gioca un ruolo cruciale in molti campi, tra cui la comunicazione quantistica, il calcolo quantistico e le dimostrazioni di come la teoria quantistica differisce dalla teoria classica. Essere in grado di verificarlo è quindi imperativo.

Nell'ultimo lavoro, in cui descrivono Anticipi Scienza, Kim e colleghi hanno studiato test EC che coinvolgono più qubit, i sistemi quantistici più semplici possibili. Convenzionalmente, ci sono tre strategie della CE. Il primo, chiamato testimone, si applica a situazioni sperimentali in cui due (o più) dispositivi che effettuano misurazioni su ciascun sottosistema sono completamente affidabili. Nel secondo, chiamato sterzo, uno dei dispositivi è completamente affidabile, ma l'altro no. La terza strategia, chiamata Bell nonlocality, si applica quando nessuno dei dispositivi è affidabile. Per ciascuna di queste strategie si possono ricavare disuguaglianze che, se violate, certificano l’entanglement.

La chiave è la misurazione debole

Kim e colleghi hanno ricondizionato queste strategie in modo da consentire loro di recuperare l'entanglement originale dopo la certificazione. La chiave del loro successo era un processo chiamato misurazione debole.

Nella meccanica quantistica, una misurazione è qualsiasi processo che sonda un sistema quantistico per ottenere informazioni (come numeri) da esso, e la teoria modella le misurazioni in due modi: misurazioni proiettive o “forti” e misurazioni non proiettive o “deboli”. Le strategie EC convenzionali impiegano misurazioni proiettive, che estraggono informazioni trasformando ciascun sottosistema in uno stato indipendente in modo tale che lo stato congiunto del sistema composito diventi separabile – in altre parole, perda completamente il suo entanglement. Le misurazioni deboli, al contrario, non disturbano i sottosistemi in modo così netto, quindi i sottosistemi rimangono intrecciati, anche se al costo di una minore estrazione di informazioni rispetto alle misurazioni proiettive.

Il team ha introdotto un parametro di controllo per la forza della misurazione su ciascun sottosistema e ha derivato nuovamente la disuguaglianza di certificazione per incorporare questi parametri. Hanno quindi preparato in modo iterativo il loro sistema di qubit nello stato da certificare e hanno misurato un valore di sottounità fisso (misurazione debole) dei parametri. Dopo tutte le iterazioni, hanno raccolto statistiche per verificare la violazione della disuguaglianza di certificazione. Una volta avvenuta una violazione, ovvero che lo stato è entangled, hanno implementato ulteriori misurazioni deboli adeguate della stessa intensità sugli stessi sottosistemi per ripristinare con una certa probabilità lo stato entangled iniziale R (per “reversibilità”).

Eliminazione del presupposto di fiducia

I fisici hanno anche dimostrato questa proposta teorica su un dispositivo fotonico chiamato interferometro di Sagnac. Per ciascuna delle tre strategie, hanno utilizzato una tipica configurazione di Sagnac per un sistema bipartito che codifica l'entanglement nello stato di polarizzazione di due fotoni. Ciò comporta l'introduzione di alcuni dispositivi ottici lineari per controllare l'intensità della misurazione e le impostazioni per la certificazione e l'ulteriore recupero dello stato iniziale.

Come previsto, hanno scoperto che all’aumentare della forza della misurazione, aumenta anche la reversibilità R diminuisce e il grado di entanglement diminuisce, mentre aumenta il livello di certificazione (una misura di quanto la disuguaglianza certificante viene violata) per ciascun caso. Ciò implica l’esistenza di un “punto debole” della forza di misurazione tale che i livelli di certificazione rimangano piuttosto alti senza troppa perdita di entanglement, e quindi reversibilità.

Elogio della debolezza

In un esperimento ideale, ci si aspetterebbe che la fonte dell'entanglement prepari lo stesso stato in ogni iterazione e la distruzione dell'entanglement per certificarlo sarebbe benigna. Ma una sorgente realistica potrebbe non produrre mai uno stato perfettamente correlato ogni volta, rendendo fondamentale filtrare l’entanglement utile subito dopo la sua preparazione. Il team KAIST lo ha dimostrato applicando il proprio schema a una sorgente rumorosa che produce una miscela multi-qubit di uno stato entangled e uno separabile in funzione del tempo. Impiegando misurazioni deboli in diversi passaggi temporali e controllando il valore del testimone, il team ha certificato e recuperato l'entanglement dalla miscela, eliminando il presupposto di fiducia e utilizzandolo ulteriormente per un esperimento sulla nonlocalità di Bell.

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• PlatoData.Network Generativo verticale Ai. Potenzia te stesso. Accedi qui.
• PlatoAiStream. Intelligenza Web3. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• PlatoneESG. Carbonio, Tecnologia pulita, Energia, Ambiente, Solare, Gestione dei rifiuti. Accedi qui.
• Platone Salute. Intelligence sulle biotecnologie e sulle sperimentazioni cliniche. Accedi qui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/weak-measurement-lets-quantum-physicists-have-their-cake-and-eat-it/