I risultati di una ricerca sulla produzione robusta di entanglement quantistico sviluppata da un team di fisici teorici del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Palermo, in collaborazione con il prof. Vittorio Giovannetti della Scuola Normale Superiore di Pisa, sono stati pubblicati, e selezionati come graphical abstract per apparire sulla back cover, su Advanced Quantum Technologies (John Wiley & Sons Inc.), rivista dedicata a lavori di alto impatto nel campo delle scienze e tecnologie quantistiche.

Lo studio, coordinato da Rosario Lo Franco del Dipartimento di Ingegneria, ha come primo autore Matteo Piccolini, dottorando in Information and Communication Technologies del Dipartimento di Ingegneria e membro del “Quantum Things Group” diretto dal prof. Lo Franco.

“Le scienze e le tecnologie quantistiche sono uno dei campi di ricerca più attivi a livello internazionale – spiegano dal team - Infatti, sfruttando in modo controllato le proprietà di coerenza ed entanglement delle particelle quantistiche (atomi, fotoni, elettroni, nuclei), è possibile creare tecnologie dirompenti, come il computer quantistico. Quest'ultimo, i cui primi prototipi sono già operativi nei laboratori di colossi dell'informatica, può esibire capacità di calcolo estremamente maggiori dei più potenti supercomputer attualmente disponibili, permettendo di risolvere problemi complessi in tempi molto rapidi. Questo permetterebbe, per esempio, di 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, opportuni dispositivi quantistici possono realizzare sensori e strumenti di misura sempre più precisi.

Questa ricerca fornisce un nuovo contributo, sviluppando una procedura efficiente che sfrutta interferometria di qubit identici (particelle quantistiche della stessa specie, per esempio fotoni o elettroni) per la produzione di stati con un alto grado di entanglement, nonostante la presenza di un’ampia gamma di disturbi ambientali che agiscono sul sistema. I risultati sono generali, essendo validi sia per qubit bosonici (come i fotoni) sia per qubit fermionici (come gli elettroni). Lo schema, che si sviluppa su nodi distinti di un quantum network, fornisce un utile passo avanti nell’ambito di tecnologie quantistiche affidabili. Gli stessi autori hanno anche svolto un’analisi più approfondita della performance della procedura quando applicata a qubit bosonici. Questi ulteriori risultati sono in via di pubblicazione sulla rivista Physical Review Research della American Physical Society”.

“Secondo le leggi della meccanica quantistica - racconta Piccolini - le particelle presentano proprietà ondulatorie come quelle che caratterizzano, ad esempio, il suono o la superficie di uno stagno in cui è stata gettata una pietra. Utilizzando opportuni dispositivi, è stato possibile sviluppare uno schema dove l'interferenza tra le onde che descrivono due qubit della stessa specie viene utilizzata per preparare entanglement a dispetto della presenza di rumori ambientali. Uno dei passi successivi sarà quello di una possibile realizzazione sperimentale della procedura proposta”.

“I risultati teorici ottenuti sono promettenti per quanto riguarda la loro verifica in laboratorio – conclude Lo Franco - Siamo già in contatto con alcuni dei nostri collaboratori sperimentali, in Cina e in Germania, per progettare una implementazione della nostra proposta in piattaforme di ottica quantistica e fotonica integrata”.

I risultati della ricerca sono pubblicati in open access.

Riferimenti:

1. M. Piccolini, V. Giovannetti, and R. Lo Franco, Robust engineering of maximally entangled states by identical particle interferometry, Advanced Quantum Technologies 2023, 2300146 (2023). https://doi.org/10.1002/qute.202300146.

2. M. Piccolini, V. Giovannetti, and R. Lo Franco, Back Cover: Robust Engineering of Maximally Entangled States by Identical Particle Interferometry (Adv. Quantum Technol. 9/2023). Adv Quantum Technol., 6: 2370094 (2023). https://doi.org/10.1002/qute.202370094. 

3. M. Piccolini, V. Giovannetti, and R. Lo Franco, Asymptotically-deterministic robust preparation of maximally entangled bosonic states, Physical Review Research, in press (2023), https://journals.aps.org/prresearch/accepted/cd073Y97P4511e95d3ef11a07cb694676a706a909. Preprint arXiv:2303.11484 [quant-ph]. https://arxiv.org/abs/2303.11484.