Criteri per il comportamento quantistico non locale nelle reti

Un nuovo studio teorico fornisce un quadro per comprendere la nonlocalità, una caratteristica che le reti quantistiche devono possedere per eseguire operazioni inaccessibili alla tecnologia di comunicazione standard

Chiarendo il concetto, i ricercatori hanno determinato le condizioni necessarie per creare sistemi con forti correlazioni quantistiche.

Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters (1), adatta le tecniche della teoria del calcolo quantistico per creare un nuovo schema di classificazione per la nonlocalità quantistica. Questo non solo ha permesso ai ricercatori di unificare gli studi precedenti del concetto in un quadro comune, ma ha facilitato una prova che i sistemi quantistici in rete possono mostrare la non località solo se possiedono un particolare insieme di caratteristiche quantistiche.

«In superficie, il calcolo quantistico e la nonlocalità nelle reti quantistiche sono cose diverse, ma il nostro studio mostra che, in un certo senso, sono le due facce della stessa medaglia», ha affermato il dottor Eric Chitambar (2), professore di ingegneria elettrica e informatica all'University of Illinois Urbana-Champaign e il responsabile del progetto. «In particolare, richiedono lo stesso insieme fondamentale di operazioni quantistiche per fornire effetti che non possono essere replicati con la tecnologia classica».

La nonlocalità è una conseguenza dell'entanglement, in cui gli oggetti quantistici sperimentano forti connessioni anche se separati su vaste distanze fisiche. Quando gli oggetti entangled vengono utilizzati per eseguire operazioni quantistiche, i risultati mostrano correlazioni statistiche che non possono essere spiegate con mezzi non quantistici. Tali correlazioni sono dette non locali. Una rete quantistica deve possedere un grado di nonlocalità per garantire che possa svolgere funzioni veramente quantistiche, ma il fenomeno è ancora poco compreso.

Per facilitare lo studio della nonlocalità, il dottor Chitambar e la studentessa laureata in fisica Amanda Gatto Lamas (3) hanno applicato il formalismo della teoria quantistica delle risorse. Trattando la non località come una “risorsa” da gestire, la struttura dei ricercatori ha permesso loro di vedere gli studi passati sulla non località come istanze separate dello stesso concetto, solo con diverse restrizioni sulla disponibilità della risorsa. Ciò ha facilitato la dimostrazione del loro risultato principale, che la non località può essere raggiunta solo con un insieme limitato di operazioni quantistiche.

«Il nostro risultato è l'analogo della rete quantistica a un importante risultato del calcolo quantistico chiamato teorema di Gottesman-Knill», ha spiegato Gatto Lamas. «Mentre Gottesman-Knill definisce chiaramente cosa deve fare un computer quantistico per superare uno classico, mostriamo che una rete quantistica deve essere costruita con un particolare insieme di operazioni per fare cose che una rete di comunicazione standard non può fare».

Eric Chitambar ritiene che il framework non solo sarà utile per sviluppare criteri per valutare la qualità di una rete quantistica in base al grado di nonlocalità che possiede, ma che possa essere utilizzato per espandere il concetto di nonlocalità. Egli spiega: «In questo momento, c'è una comprensione relativamente buona del tipo di nonlocalità che può emergere tra due parti. Tuttavia, si può immaginare per una rete quantistica composta da molte parti connesse che potrebbe esserci un qualche tipo di proprietà globale che non è possibile ridurre a singole coppie sulla rete. Una tale proprietà potrebbe dipendere intimamente dalla struttura complessiva della rete».

Il professor Chitambar è anche membro dell'Illinois Quantum Information Science and Technology Center. Questo studio è il culmine del lavoro iniziato quando la dottoressa Gatto Lamas era un partecipante al programma Research Experience for Undergraduates ospitato dal dipartimento di fisica dell'University of Illinois Urbana-Champaign.

Il supporto è stato fornito dal programma Q-NEXT guidato dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Riferimenti:

(1) Multipartite Nonlocality in Clifford Networks

(2) Eric Chitambar

(3) Amanda Gatto Lamas

Descrizione foto: Gli oggetti quantistici entangled possono essere usati per mettere in rete sistemi separati. I ricercatori dimostrano ciò che è necessario per le correlazioni non locali, un requisito per un'utile rete quantistica. - Credit: The Grainger College of Engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign/Wesley Moore.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Chitambar group establishes criterion for nonlocal quantum behavior in networks