Vediamo il mondo intorno a noi perché la luce è assorbita da cellule specializzate nella nostra retina, ma la visione può avvenire senza alcun assorbimento, senza nemmeno una singola particella di luce? Sorprendentemente, la risposta è sì.
Immaginate di avere una cartuccia fotografica che potrebbe contenere un rullino. Il rullino è così sensibile che il contatto con un singolo fotone lo distruggerebbe. I nostri mezzi classici di tutti i giorni non danno modo di sapere se c’è una pellicola nella cartuccia, ma nel mondo quantistico è possibile.
Anton Zeilinger, uno dei vincitori del Premio Nobel per la fisica 2022, è stato il primo a implementare sperimentalmente l’idea di un esperimento privo di interazione utilizzando l’ottica.
Ora, in uno studio che esplora la connessione tra il mondo quantistico e quello classico, i ricercatori Shruti Dogra, John J. McCord e Gheorghe Sorin Paraoanu della Aalto University hanno scoperto un metodo nuovo e molto più efficace per condurre esperimenti senza interazione. Il team per rilevare la presenza di impulsi a microonde generati da strumenti classici, ha utilizzato dispositivi transmon (circuiti superconduttori relativamente grandi ma con un comportamento quantistico). La loro ricerca è stata recentemente pubblicata nella rivista Nature Communications.
Esperimento con uno strato aggiunto di “quantumness”
Shruti Dogra e Gheorghe Sorin Paraoanu sebbene fossero affascinati dal lavoro svolto dal gruppo di ricerca di Anton Zeilinger, il loro laboratorio è incentrato su microonde e superconduttori invece che su laser e specchi.
Gheorghe Sorin Paraoanu ha detto:
«Abbiamo dovuto adattare il concetto ai diversi strumenti sperimentali disponibili per i dispositivi superconduttori, per questo motivo, abbiamo anche dovuto modificare in modo cruciale il protocollo standard privo di interazione, abbiamo aggiunto un altro livello di “quantità” utilizzando un livello di energia più elevato del transmone, quindi, abbiamo usato la coerenza quantistica del sistema a tre livelli risultante come risorsa».
La coerenza quantistica si riferisce alla possibilità che un oggetto possa occupare due stati diversi contemporaneamente, elemento che la fisica quantistica consente. Tuttavia, la coerenza quantistica è delicata e collassa facilmente, quindi non era immediatamente ovvio che il nuovo protocollo avrebbe funzionato.
Le prime esecuzioni dell’esperimento hanno mostrato un netto aumento dell’efficienza di rilevamento, il team di ricercatori con piacevole sorpresa è tornato più volte al tavolo da disegno, ha eseguito modelli teorici che confermavano i loro risultati, ha ricontrollato tutto. L’effetto era decisamente lì.
Shruti Dogra ha affermato:
«Utilizzando il nostro protocollo, abbiamo dimostrato che anche gli impulsi a microonde a bassa potenza, possono essere rilevati in modo efficiente».
L’esperimento ha anche mostrato un nuovo metodo in cui i dispositivi quantistici possono ottenere risultati impossibili per i dispositivi classici, un fenomeno noto come vantaggio quantistico. I ricercatori generalmente ritengono che per ottenere un vantaggio quantistico saranno necessari computer quantistici con molti qubit, ma questo esperimento ha dimostrato un vero vantaggio quantistico utilizzando una configurazione relativamente più semplice.
Potenziali applicazioni in molti tipi di tecnologia quantistica
Le misurazioni prive di interazione basate sulla vecchia metodologia meno efficace hanno già trovato applicazioni in processi specializzati come l’imaging ottico, il rilevamento del rumore e la distribuzione di chiavi crittografiche. Il nuovo e migliorato metodo potrebbe aumentare notevolmente l’efficienza di questi processi.
Gheorghe Sorin Paraoanu ha detto:
«Il nostro metodo nell’informatica quantistica potrebbe essere applicato per diagnosticare gli stati di fotoni a microonde in alcuni elementi di memoria, ciò può essere considerato un metodo altamente efficiente per estrarre informazioni senza disturbare il funzionamento del processore quantistico».
Il team di ricercatori guidato da Gheorghe Sorin Paraoanu utilizzando il nuovo metodo, sta anche esplorando altre forme di elaborazione delle informazioni come la comunicazione controfattuale (comunicazione tra due parti senza che vengano trasferite particelle fisiche) e il calcolo quantistico controfattuale (in cui il risultato di un calcolo viene ottenuto senza che il computer sia effettivamente in funzione).