La fisica quantistica ha sempre considerato la dissipazione - il fenomeno per cui i sistemi quantistici perdono le loro proprietà peculiari a causa dell'interferenza ambientale - come il principale nemico da combattere. Tuttavia, un gruppo di ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina ha ribaltato questa prospettiva, trasformando quello che sembrava un ostacolo insormontabile in uno strumento di precisione per creare stati quantistici complessi. Il team, guidato dal professor Lin Yiheng in collaborazione con il professor Yuan Haidong dell'Università Cinese di Hong Kong, è riuscito a generare entanglement quantistico multipartito attraverso un processo controllato di dissipazione, aprendo nuove frontiere per le tecnologie quantistiche del futuro.
Quando il rumore diventa risorsa
L'approccio tradizionale alla creazione di stati quantistici entangled prevedeva l'isolamento completo del sistema dall'ambiente circostante, nel tentativo di preservare le delicate correlazioni quantistiche. Questa strategia, pur efficace in laboratorio, presenta limitazioni significative quando si tratta di scalare i sistemi verso applicazioni pratiche. La nuova metodologia svilizata dai ricercatori cinesi ribalta completamente questo paradigma, sfruttando la dissipazione ingegnerizzata come strumento attivo per la generazione di stati quantistici desiderati.
Il concetto può sembrare controintuitivo, ma funziona secondo un principio elegante: invece di combattere la dissipazione, i ricercatori l'hanno programmata in modo che lo stato quantistico target diventi l'unico stato stabile del sistema. Tutti gli altri stati tendono spontaneamente a evolvere verso questa configurazione specifica, creando un meccanismo di stabilizzazione autonoma che garantisce robustezza e affidabilità.
Ioni intrappolati e controllo laser di precisione
La realizzazione sperimentale si basa su una catena di ioni intrappolati, manipolati attraverso impulsi laser controllati con precisione estrema. Questa piattaforma permette di ingegnerizzare l'accoppiamento tra gli spin dissipativi e i modi vibrazionali del sistema, ottenendo un controllo programmabile sui processi di dissipazione specifici. La tecnica ha dimostrato la sua efficacia generando stati entangled squeezed a due, tre e cinque modi, partendo da stati termici iniziali completamente non correlati.
I risultati ottenuti mostrano una fedeltà superiore all'84% nella preparazione degli stati target, un valore considerevole che testimonia l'efficacia della metodologia. Per verificare l'autenticità dell'entanglement multipartito generato, il team ha applicato i criteri di inseparabilità di van Loock-Furusawa, misurando le correlazioni quantistiche tra i diversi modi del sistema e confermando la natura genuinamente quantistica degli stati prodotti.
Scalabilità e applicazioni future
Uno degli aspetti più promettenti di questa ricerca riguarda le prospettive di scalabilità del sistema. La piattaforma basata su ioni intrappolati può essere facilmente estesa per accommodare un numero maggiore di ioni e modi vibrazionali, aprendo la strada verso sistemi quantistici di dimensioni pratiche. Inoltre, l'universalità dell'approccio suggerisce possibili implementazioni in diverse piattaforme fisiche, dalle cavità superconduttive agli ensemble atomici, fino ai sistemi nanomeccanici.
Le implicazioni per il quantum computing e la stima multi-parametrica sono particolarmente significative. Mentre le tecnologie quantistiche si avvicinano alla maturità ingegneristica, metodi robusti per la generazione di entanglement rappresentano un tassello fondamentale per la costruzione di sistemi di elaborazione dell'informazione quantistica stabili e affidabili. La capacità di sfruttare processi dissipativi controllati potrebbe ridurre drasticamente i requisiti di isolamento ambientale, facilitando la transizione dalle dimostrazioni di laboratorio alle applicazioni commerciali.
Lo studio, pubblicato su Science Advances, dimostra come il controllo preciso dell'accoppiamento tra modi motionali multipli e stati interni degli ioni offra potenzialità uniche per l'elaborazione dell'informazione quantistica in sistemi a variabili continue. Questa metodologia rappresenta un passo significativo verso la realizzazione di tecnologie quantistiche pratiche, dove la dissipazione controllata diventa alleata piuttosto che avversaria nella costruzione di stati quantistici complessi e utili.