Fisici teorici dell’Università di Palermo, Rosario Lo Franco del Dipartimento di Energia, Ingegneria dell’Informazione e Modelli Matematici (DEIM) e Giuseppe Compagno del Dipartimento di Fisica e Chimica (DiFC), hanno recentemente pubblicato una ricerca sulla prestigiosa rivista scientifica Physical Review Letters dell’American Physical Society. Dato il suo interesse fondamentale, la ricerca è stata diffusa come la notizia di prima pagina del 26 giugno 2018 dalla principale rivista europea di divulgazione scientifica Physics World dell’Institute of Physics (IOP). Physics World rappresenta una parte chiave di IOP per divulgare la ricerca e l'innovazione di livello mondiale.

In meccanica quantistica le particelle hanno sia una natura corpuscolare che ondulatoria. Come dimostrato dalla ricerca di Lo Franco e Compagno, due particelle identiche preparate in modo indipendente possono correlarsi (entanglement quantistico) quando le loro parti ondulatorie (funzioni d’onda) si sovrappongono nello spazio, anche se non c'è interazione tra le particelle e questo entanglement può essere utilizzato come risorsa per processi di informazione quantistica. L'entanglement è un fenomeno puramente quantistico che consente a due o più particelle di avere una correlazione molto più stretta di quella consentita dalla fisica classica e gioca un ruolo cruciale nei protocolli di informazione quantistica come il teletrasporto quantistico e la crittografia quantistica. Un'importante questione aperta è se le particelle identiche (cioè particelle della stessa specie come atomi, nuclei, fotoni, elettroni) - che sono quindi indistinguibili - possano essere utilizzate come una risorsa pratica per le tecnologie quantistiche. Il problema principale è che le particelle identiche non possono in generale essere individualmente controllate, come si vorrebbe per i bit quantistici (qubit).

Nel loro studio, Lo Franco e Compagno hanno introdotto un approccio operazionale denominato SLOCC (spatially localized operations and classical communication) che permette di quantificare e sfruttare l’entanglement contenuto in un sistema di particelle indistinguibili che si sovrappongono spazialmente. Ciò potrebbe verificarsi, ad esempio, quando due fotoni sono contemporaneamente in una stessa guida d'onda.

“Abbiamo trovato la nuova caratteristica che l'indistinguibilità di sistemi elementari identici – afferma Lo Franco - è una fonte di utili proprietà quantistiche, in particolare l'entanglement. Dimostriamo poi che questo entanglement è fisico in quanto può essere sfruttato direttamente tramite SLOCC per attivare il teletrasporto quantistico, aprendo la strada a nuove applicazioni di questi sistemi”. Un esperimento basato su questi risultati è in fase di progettazione, in collaborazione con un gruppo di ottica quantistica della University of Science and Technology of China.

Immagine. Spatial overlap: indistinguishable particles could distinguish themselves as a good quantum resource. (Courtesy: iStock/Traffic Analyzer)

Collegamento alla headline di Physics World del 26 giugno 2018: https://rosariolofranco.weebly.com/uploads/3/7/6/5/37652371/physicsworld_26june2018_firstpage.png

Collegamento all’articolo su Physics World:

https://physicsworld.com/a/spatial-overlap-leads-to-useful-quantum-entanglement-say-physicists/

La ricerca è stata anche divulgata sul web magazine Phys.org:

https://phys.org/news/2018-06-future-quantum-technologies-exploit-identical.html

Pubblicazione originale: Rosario Lo Franco and Giuseppe Compagno, Indistinguishability of elementary systems as a resource for quantum information processing, Physical Review Letters 120, 240403 (2018).

URL: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.240403