Un nuovo e veloce strumento per l'informatica quantistica e la comunicazione.
Isaac Nape, un talento sudafricano emergente nello studio dell'ottica quantistica, fa parte di un team di fisici Wits che ha condotto uno studio internazionale che ha rivelato le strutture nascoste degli stati entangled quantistici. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Nature Communications.
Nape sta perseguendo il suo dottorato di ricerca presso la Wits University e si concentra sullo sfruttamento di modelli strutturati di luce per la codifica e la decodifica di informazioni ad alta dimensione per l'uso nella comunicazione quantistica.
All'inizio di quest'anno ha vinto due premi alla conferenza del South African Institute of Physics (SAIP) da aggiungere alla sua crescente collezione di riconoscimenti nel campo dell'ottica e della fotonica. Ha vinto il premio per "Miglior presentazione orale di dottorato in fisica applicata" e ha vinto congiuntamente il premio per "Migliore presentazione orale di dottorato in fotonica".
A maggio, ha anche ricevuto la prestigiosa borsa di studio 2021 per l'educazione all'ottica e alla fotonica dalla SPIE, la società internazionale per l'ottica e la fotonica, per i suoi potenziali contributi nel campo dell'ottica, della fotonica o del campo correlato.
Elaborazione più veloce e sicura
Ora Nape e i suoi colleghi di Wits, insieme a collaboratori scozzesi e taiwanesi, offrono uno strumento nuovo e veloce per l'informatica quantistica e la comunicazione. "Gli stati quantistici che sono impigliati in molte dimensioni sono fondamentali per le nostre tecnologie quantistiche emergenti, dove più dimensioni significano una maggiore larghezza di banda quantistica (più veloce) e una migliore resilienza al rumore (sicurezza), cruciale per una comunicazione veloce e sicura e una velocità nel calcolo quantistico privo di errori.
"Quello che abbiamo fatto qui è inventare un nuovo approccio per sondare questi stati quantistici 'ad alta dimensione', riducendo il tempo di misurazione da decenni a minuti", spiega Nape.
Nape ha lavorato con l'illustre professor Andrew Forbes, ricercatore principale su questo studio e direttore del Structured Light Laboratory presso la School of Physics di Wits, nonché con la dottoressa Valeria Rodriguez-Fajardo, con il ricercatore taiwanese in visita Dr. Hasiao-Chih Huang, e il Dr. Jonathan Leach e il Dr. Feng Zhu della Heriot-Watt University in Scozia.
Sei quantistico o no?
Nel loro articolo intitolato: Misurare la dimensionalità e la purezza degli stati entangled ad alta, il team ha delineato un nuovo approccio alla misurazione quantistica, testandolo su uno stato entangled quantistico a 100 dimensioni.
Con gli approcci tradizionali, il tempo di misurazione aumenta sfavorevolmente con la dimensione, così che per svelare uno stato a 100 dimensioni con una "tomografia a stato quantistico" completa ci vorrebbero decenni. Invece, il team ha dimostrato che le informazioni salienti del sistema quantistico – quante dimensioni sono impigliate e a quale livello di purezza? – potrebbe essere dedotto in pochi minuti. Il nuovo approccio richiede solo semplici "proiezioni" che potrebbero essere facilmente eseguite nella maggior parte dei laboratori con strumenti convenzionali. Usando la luce come esempio, il team ha utilizzato un approccio tutto digitale per eseguire le misurazioni.
Il problema, spiega Nape, è che mentre gli stati ad alta dimensione sono facilmente realizzabili, in particolare con particelle di luce impigliate (fotoni) non sono facili da misurare – la nostra cassetta degli attrezzi per misurarli e controllarli è quasi vuota.
Puoi pensare a uno stato quantistico ad alta dimensione come le facce di un dado. Un dado convenzionale ha 6 facce, numerato da 1 a 6, per un alfabeto a sei dimensioni che può essere utilizzato per l'informatica o per il trasferimento di informazioni nella comunicazione. Fare un "dado ad alta dimensione" significa un dado con molte più facce: 100 dimensioni equivalgono a 100 facce – un poligono piuttosto complicato.
"Nel nostro mondo di tutti i giorni sarebbe facile contare i volti per sapere che tipo di risorsa avevamo a disposizione, ma non così nel mondo quantistico. Nel mondo quantistico, non puoi mai vedere tutti i dadi, quindi contare le facce è molto difficile. Il modo in cui atteniamo questo problema è fare una tomografia, come fanno nel mondo medico, costruendo un'immagine da molte, molte fette dell'oggetto ", spiega Nape.
Ma le informazioni negli oggetti quantistici possono essere enormi, quindi il tempo per questo processo è proibitivo. Un approccio più veloce è una "misurazione di Bell", un famoso test per dire se ciò che hai di fronte a te è impigliato, come chiedere "sei quantistico o no?" Ma mentre questo conferma le correlazioni quantistiche dei dadi, non dice molto sul numero di facce che ha.
Scoperta casuale
"Il nostro lavoro ha aggirato il problema con una scoperta casuale, che esiste un insieme di misurazioni che non è una tomografia e non una misurazione di Bell, ma che contiene informazioni importanti di entrambi", afferma Nape. "In gergo tecnico, abbiamo mescolato questi due approcci di misurazione per fare proiezioni multiple che sembrano una tomografia ma misurano la visibilità del risultato, come se fossero misurazioni di Bell. Ciò ha rivelato le informazioni nascoste che potrebbero essere estratte dalla forza delle correlazioni quantistiche in molte dimensioni".
Primo e veloce
La combinazione di velocità dall'approccio a Bell e informazioni dall'approccio tomografico significava che i parametri quantistici chiave come la dimensionalità e la purezza dello stato quantistico potevano essere determinati rapidamente e quantitativamente, il primo approccio per farlo.
"Non stiamo suggerendo che il nostro approccio sostituisca altre tecniche", afferma Forbes. "Piuttosto, lo vediamo come una sonda veloce per rivelare con cosa hai a che fare, e quindi utilizzare queste informazioni per prendere una decisione informata su cosa fare dopo. Un caso di cavalli per corsi."
Ad esempio, il team vede il loro approccio come un cambiamento del gioco nei collegamenti di comunicazione quantistica del mondo reale, dove una rapida misurazione di quanto sia diventato rumoroso quello stato quantistico e cosa questo abbia fatto alle dimensioni utili è cruciale.
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