Fisici teorici dei Dipartimenti di Ingegneria e di Fisica e Chimica dell'Università di Palermo hanno recentemente sviluppato una ricerca i cui risultati sono stati pubblicati su un prestigioso Nature Research journal, npj Quantum Information, che pubblica lavori di grande rilevanza scientifica nel campo della quantum information science. Lo studio, coordinato da Rosario Lo Franco del Dipartimento di Ingegneria, ha come altri autori Farzam Nosrati, dottorando in Information and Communication Technologies del Dipartimento di Ingegneria, Alessia Castellini e Giuseppe Compagno del Dipartimento di Fisica e Chimica. 

La quantum information science è uno dei campi di ricerca più attivi a livello internazionale con un impatto importante sulla società contemporanea. Infatti, sfruttando dispositivi composti da particelle quantistiche atomi, fotoni, elettroni, nuclei, essa conduce allo sviluppo di tecnologie dirompenti, come il computer quantistico. Quest'ultimo, i cui primi prototipi sono già stati creati nei laboratori di colossi dell'informatica, come Google, IBM, Microsoft, possiede capacità di calcolo estremamente più grandi dei più potenti supercomputer attualmente disponibili, permettendo quindi di risolvere problemi complessi in tempi molto rapidi. Questo porta, per esempio, ad accelerare enormemente la progettazione di farmaci, la ricerca di elementi in grandi database o l’analisi di dati astronomici. Una rete di computer quantistici, quantum network, consente di trasmettere informazioni sicure e a prova di spia, crittografia quantistica, tramite processi come il teletrasporto quantistico di dati. Inoltre, sensori e strumenti di misura sempre più precisi possono essere realizzati grazie a dispositivi quantistici. 

Le tecnologie quantistiche basano il loro funzionamento su assemblaggi di quantum bit (qubit) ognuno dei quali, a differenza dei bit classici dei computer ordinari, può trovarsi simultaneamente in una combinazione di 0 e 1, la cosiddetta sovrapposizione quantistica. L’insieme di questi qubit può essere preparato in configurazioni tali da esibire correlazioni, interdipendenza, così forti che non sono possibili con i dispositivi ordinari. Queste correlazioni quantistiche, che prendono il nome di entanglement, sono una risorsa essenziale per l’implementazione del computer quantistico e delle tecnologie quantistiche in genere. Tuttavia, le risorse quantistiche tendono ad essere rapidamente distrutte dall’interazione del dispositivo quantistico con l’ambiente in cui esso è inglobato, compromettendo seriamente il funzionamento e la diffusione su larga scala delle tecnologie quantistiche. La comunità scientifica internazionale è fortemente impegnata nella determinazione di strategie per il superamento di questo problema. Con la nuova ricerca, i fisici del nostro Ateneo hanno fornito un importante contributo verso questa direzione mostrando che in un sistema di qubit identici (particelle quantistiche dello stesso tipo, per esempio elettroni) l’entanglement può essere schermato dagli effetti distruttivi ambientali e quindi utilizzato senza problemi. La loro scoperta fornisce quindi un significativo passo avanti verso la realizzazione delle desiderate tecnologie quantistiche. 

“In meccanica quantistica le particelle hanno sia una natura corpuscolare che ondulatoria – dice il prof. Lo Franco - Esse sono descritte da una funzione d’onda che ne determina le proprietà fisiche, per esempio, spin dell’elettrone o polarizzazione del fotone, e stabilisce la probabilità con cui una particella può essere trovata in una regione di spazio”.

Risultati ottenuti precedentemente da Lo Franco e Compagno dimostrano che: particelle quantistiche identiche, cioè particelle dello stesso tipo, preparate in modo indipendente possono correlarsi, entanglement, quando le loro parti ondulatorie, funzioni d’onda, si sovrappongono nello spazio, anche senza interazione tra le particelle [vedi Scientific Reports 6, 20603 (2016), Nature Research]. L'entanglement ottenuto può essere utilizzato come risorsa per processi di informazione quantistica [vedi Physical Review Letters 120, 240403 (2018), American Physical Society].

Quando le funzioni d’onda di particelle identiche si sovrappongono spazialmente, le particelle diventano indistinguibili una dall’altra. 

“Grazie all'approccio innovativo già sviluppato dai ricercatori palermitani abbiamo introdotto una misura di indistinguibilità spaziale come risorsa controllabile di informazione quantistica – racconta Nosrati – che ci ha quindi permesso di dimostrare il ruolo fondamentale dell'identità delle particelle come proprietà quantistica per produrre entanglement protetto dal disturbo ambientale”. 

Un esperimento collegato a questi risultati basato su qubit fotonici, grazie ad una collaborazione internazionale con il gruppo di ottica quantistica del Key Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China, è stato realizzato ed è in fase di peer review (disponibile in preprint: arXiv:2003.10659 [quant-ph]). Nell'esperimento viene creato entanglement ed inoltre realizzato un teletrasporto quantistico proprio sfruttando l’indistinguibilità spaziale dei fotoni. 

“Siamo molto contenti dei risultati teorici ottenuti qui a Palermo e dell’esperimento che li conferma– continua Lo Franco – soprattutto in un periodo così difficile per la comunità internazionale dovuto alla pandemia da covid-19. Il mondo scientifico si adopera per superare le difficoltà in modo tale che la ricerca scientifica di qualità e le collaborazioni internazionali non si fermino”. 

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Riferimenti:

» F. Nosrati, A. Castellini, G. Compagno, and R. Lo Franco, Robust entanglement preparation against noise by controlling spatial indistinguishability, npj Quantum Information, in press (2020). Preprint arXiv:1907.00136 [quant-ph].

» K. Sun, Y. Wang, Z.-H. Liu, X.-Y. Xu, J.-S. Xu, C.-F. Li, G.-C. Guo, A. Castellini, F. Nosrati, G. Compagno, and R. Lo Franco, Experimental control of remote spatial indistinguishability of photons to realize entanglement and teleportation, Preprint arXiv:2003.10659 [quant-ph].