Un team dell’Università di Ginevra ha dimostrato che è possibile determinare lo stato di un sistema quantistico da misure indirette, quando è accoppiato al suo ambiente.
In che stato si trova un sistema quantistico? Rispondere a questa domanda è essenziale per sfruttare le proprietà quantistiche e sviluppare nuove tecnologie. In pratica, questa caratterizzazione si basa generalmente su misure dirette, che richiedono sistemi estremamente ben controllati perché la loro sensibilità alle perturbazioni esterne può distorcere i risultati. Questo vincolo limita la loro applicabilità a determinati contesti sperimentali. Un team dell’Università di Ginevra propone un approccio alternativo, adattato a sistemi quantistici aperti in cui l’interazione con l’ambiente diventa un vantaggio anziché un ostacolo. Questo lavoro, pubblicato su Physical Review Letters con l’etichetta "editors’ choice", avvicina un po’ di più le tecnologie quantistiche alle condizioni della vita reale.
Le tecnologie quantistiche - siano esse computer, sensori o sistemi crittografici - si basano tutte su un passaggio essenziale: la caratterizzazione degli stati quantistici. In altre parole, l’obiettivo è identificare tutti i parametri che descrivono un sistema, in modo da avere una descrizione completa e utilizzabile.
Questo processo, noto come Tomografia degli StatiQuantistici (QST), richiede un gran numero di misurazioni diverse. Questi protocolli presuppongono generalmente che il sistema sia debolmente accoppiato al suo ambiente, perché qualsiasi interazione incontrollata può alterare i risultati e le proprietà del sistema quantistico stesso. Questo vincolo è particolarmente forte per le piattaforme di calcolo quantistico.
L’interazione con l’ambiente, spesso vista come una fonte di disturbo indesiderato, può invece diventare una risorsa informativa.
Trasformare l’ambiente in un alleato
Gli scienziati dell’Università di Ginevra hanno sviluppato un metodo più flessibile che si discosta da questo approccio convenzionale. Invece di misurare direttamente il sistema, il loro protocollo si basa su misure di trasporto, cioè su misure basate sulla circolazione delle particelle attraverso il sistema quantistico.
In termini pratici, il metodo si applica a sistemi accoppiati a diversi ambienti, ad esempio soggetti a differenze di potenziale o di temperatura. Questi squilibri inducono flussi di particelle attraverso il sistema quantistico. Misurando finemente queste correnti e le loro correlazioni, diventa possibile accedere ai parametri che descrivono lo stato quantistico, senza ricorrere a misure proiettive dirette sul sistema stesso.
il nostro lavoro dimostra che l’interazione con l’ambiente, spesso considerata una fonte di disturbo indesiderato, può al contrario diventare una risorsa informativa se sfruttata in modo appropriato", spiega Géraldine Haack, docente e ricercatrice presso il Dipartimento di Fisica Applicata della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra e vincitrice del programma per giovani ricercatori della Fondazione Sandoz, che ha guidato il progetto. Il progetto è stato realizzato in collaborazione con Jeanne Bourgeois, la prima autrice, che all’epoca stava svolgendo un master all’Università di Ginevra ed è ora dottoranda all’EPFL, e Gianmichele Blasi, che all’epoca era studente post-dottorato all’Università di Ginevra ed è ora studente post-dottorato all’IFISC dell’Università delle Isole Baleari a Maiorca.
Dispositivi più vicini alle applicazioni reali
Sebbene questo approccio non sostituisca i protocolli necessari per l’informatica quantistica, che richiede sistemi altamente isolati, rappresenta un’importante risorsa per la caratterizzazione e la certificazione degli stati quantistici in dispositivi aperti, in particolare per i sensori quantistici. Questi sensori, in grado di raggiungere sensibilità estreme, trovano applicazione in un’ampia gamma di campi, dalla salute (imaging e diagnostica avanzata) alla geofisica, all’esplorazione delle risorse naturali e alla navigazione autonoma.
Questo metodo è interessante anche per l’informatica neuromorfa quantistica, un approccio informatico ispirato al funzionamento del cervello, basato su sistemi fisici che interagiscono continuamente con il loro ambiente. In questo contesto, l’informazione viene elaborata dall’evoluzione collettiva del sistema piuttosto che da operazioni logiche isolate, il che rende particolarmente importante la caratterizzazione degli stati quantistici aperti. Le recenti scoperte del team dell’Università di Ginevra forniscono a queste promettenti tecnologie quantistiche uno strumento chiave per il loro sviluppo verso applicazioni reali.
