O, per semplificare, prendere in considerazione due quarti “entangled”, ciascuno nascosto sotto una tazza. Se due persone, Bob e Alice, portassero ciascuno uno di quei quarti in una stanza diversa, i quarti rimarrebbero sia testa che croce finché una persona non sollevasse la coppa e osservasse il suo quarto; a quel punto, diventerebbe casualmente testa o croce. Se Alice dovesse sollevare prima la sua tazza e il suo quarto fosse tails, allora quando Bob osservava il suo quarto, sarebbe anche tails., Se hai ripetuto l’esperimento e le monete sono coperte ancora una volta, torneranno ad essere in uno stato di sovrapposizione. Alice avrebbe sollevato la sua tazza di nuovo e potrebbe trovare il suo quarto come teste questa volta. Bob avrebbe poi anche trovare il suo quarto come teste. Se il primo trimestre si trova ad essere testa o croce è del tutto casuale.
Allo stesso modo, quando un ricercatore impiglia due fotoni e poi invia ciascuno in direzioni diverse in condizioni attentamente controllate, continueranno ad essere in uno stato di sovrapposizione, sia orizzontalmente che verticalmente polarizzato., Solo quando viene misurato uno dei fotoni, entrambi adottano casualmente solo uno dei due possibili stati di polarizzazione.
“Le correlazioni quantistiche sono profondamente diverse dalle correlazioni ordinarie”, afferma Preskill. “E la casualità è la chiave. Questa casualità intrinseca spettrale è in realtà ciò che infastidiva Einstein. Ma è essenziale per come funziona il mondo quantistico.”
” Gli scienziati usano spesso la parola correlazione per spiegare cosa sta succedendo tra queste particelle”, aggiunge Oskar Painter, professore di fisica applicata e fisica di John G Braun al Caltech., “Ma, in realtà, entanglement è la parola perfetta.”
Entanglement to the Nth Degree
Districare la relazione tra due particelle impigliate può essere difficile, ma la vera sfida è capire come centinaia di particelle, se non di più, possono essere interconnesse in modo simile.
Secondo Manuel Endres, un assistente professore di fisica al Caltech, uno dei primi passi verso la comprensione dell’entanglement di molti corpi è crearlo e controllarlo in laboratorio., Per fare questo, Endres e il suo team usano un approccio a forza bruta: progettano e costruiscono esperimenti di laboratorio con l’obiettivo di creare un sistema di 100 atomi impigliati.
“Questo è fondamentalmente estremamente difficile da fare”, afferma Endres. In realtà, osserva, sarebbe difficile anche a una scala molto più piccola. “Se creo un sistema in cui generi, ad esempio, 20 particelle impigliate, e ne invio 10 in un modo e 10 in un altro modo, allora devo misurare se ognuna di quelle prime 10 particelle è impigliata con ciascuna delle altre serie di 10., Ci sono molti modi diversi di guardare le correlazioni.”
Mentre il compito di descrivere quelle correlazioni è difficile, descrivere un sistema di 100 atomi impigliati con bit di computer classici sarebbe inimmaginabilmente difficile. Ad esempio, una descrizione classica completa di tutte le correlazioni quantistiche tra ben 300 particelle impigliate richiederebbe più bit del numero di atomi nell’universo visibile. ” Ma questo è il punto e il motivo per cui lo stiamo facendo”, dice Endres., “Le cose diventano così impigliate che hai bisogno di un’enorme quantità di spazio per descrivere le informazioni. È una bestia complicata, ma è utile.”
” In generale, il numero di parametri necessari per descrivere il sistema aumenterà esponenzialmente”, afferma Vidick, che sta lavorando su strumenti matematici e computazionali per descrivere l’entanglement. “Esplode molto rapidamente, il che, in generale, è il motivo per cui è difficile fare previsioni o simulazioni, perché non puoi nemmeno rappresentare questi sistemi nella memoria del tuo laptop.,”
Per risolvere questo problema, Vidick e il suo gruppo stanno lavorando alla creazione di rappresentazioni computazionali di materiali impigliati che sono più semplici e più succinti rispetto ai modelli attualmente esistenti.
“La meccanica quantistica e le idee alla base dell’informatica quantistica ci stanno costringendo a pensare fuori dagli schemi”, afferma.
Un ecosistema fragile
Un altro fattore nella creazione e nel controllo dei sistemi quantistici ha a che fare con la loro natura delicata., Come la Mimosa pudica, un membro della famiglia dei piselli noto anche come la “pianta sensibile”, che si abbassa quando le sue foglie vengono toccate, gli stati impigliati possono facilmente scomparire o collassare, quando l’ambiente cambia anche leggermente. Ad esempio, l’atto di osservare uno stato quantico lo distrugge. ” Non vuoi nemmeno guardare il tuo esperimento, o respirare su di esso”, scherza Painter. Aggiunge Preskill, ” Non accendere la luce e non osare nemmeno entrare nella stanza.,”
Il problema è che le particelle impigliate si impigliano rapidamente con l’ambiente circostante, in pochi microsecondi o più velocemente. Questo distrugge quindi lo stato impigliato originale che un ricercatore potrebbe tentare di studiare o utilizzare. Anche un solo fotone randagio che vola attraverso un esperimento può rendere il tutto inutile.
“Devi essere in grado di creare un sistema che sia impigliato solo con se stesso, non con il tuo apparato”, afferma Endres. “Vogliamo che le particelle parlino tra loro in modo controllato., Ma non vogliamo che parlino con niente nel mondo esterno.”
Nel campo dell’informatica quantistica, questa fragilità è problematica perché può portare a errori computazionali. I computer quantistici promettono di risolvere problemi che i computer classici non possono, inclusi quelli in crittografia, chimica, modellazione finanziaria e altro ancora. Dove i computer classici usano bit binari (“1” o “0”) per trasportare informazioni, i computer quantistici usano” qubit”, che esistono negli stati di” 1 “e” 0” allo stesso tempo., Come spiega Preskill, i qubit in questo stato misto, o sovrapposizione, sarebbero sia morti che vivi, un riferimento al famoso esperimento mentale proposto da Erwin Schrödinger nel 1935, in cui un gatto in una scatola è sia morto che vivo fino a quando la scatola non viene aperta, e il gatto è osservato essere l’uno o l’altro. Inoltre, quei qubit sono tutti impigliati. Se i qubit in qualche modo si districano l’uno dall’altro, il computer quantistico non sarebbe in grado di eseguire i suoi calcoli.,
Per risolvere questi problemi, Preskill e Alexei Kitaev (Caltech è Ronald e Maxine Linde Professore di Fisica Teorica e Matematica e destinatario di un 2012 Svolta Premio per la Fisica Fondamentale), insieme con altri teorici al Caltech, hanno messo a punto un concetto di nascondere l’informazione quantistica all’interno di un globale stato “entangled”, in modo tale che nessuno dei singoli bit di avere la risposta. Questo approccio è simile alla distribuzione di un codice tra centinaia di persone che vivono in città diverse., Nessuna persona avrebbe l’intero codice, quindi il codice sarebbe molto meno vulnerabile alla scoperta.