Mixed-state phases induced by power-law quantum channels

Nel mondo quantistico, la materia solitamente si presenta in due varianti: stati puri, che sono perfettamente isolati e prevedibili, e stati misti, che sono disordinati, rumorosi e in costante interazione con l'ambiente circostante. Per decenni, i fisici hanno mappato le distinte fasi della materia pura, scoprendo che anche in un ambiente caotico possono emergere e persistere determinati schemi di ordine. Tuttavia, quando un sistema è aperto all'ambiente, le regole cambiano. Recentemente è stato proposto un nuovo tipo di ordine, che esiste solo in questi stati misti e disordinati e che non ha un corrispettivo nel mondo pulito e isolato. Questo fenomeno coinvolge un tipo specifico di rottura della simmetria, in cui un sistema perde una forma di ordine forte e rigida ma ne conserva una versione più debole e mediata. Sebbene gli scienziati abbiano osservato che ciò accade in sistemi con due o più dimensioni, una convinzione di lunga data sosteneva che in una linea monodimensionale, un tale transizione non potesse mai avvenire se il rumore fosse limitato ai vicini immediati. L'idea era che il rumore avrebbe semplicemente spazzato via qualsiasi ordine complesso prima che potesse stabilizzarsi.

Un team di ricercatori ha ora sfidato questo limite introducendo un nuovo tipo di rumore che raggiunge l'intero sistema. Invece di sussurrare solo ai propri vicini immediati, il rumore nel loro modello parla con ogni altra parte della linea, sebbene la forza di questa conversazione sbiadisca con la distanza. Applicando questo rumore a lungo raggio a una specifica famiglia di stati quantistici, hanno scoperto che le vecchie regole non si applicano più. Hanno scoperto che anche in una linea monodimensionale, questo rumore a legge di potenza può innescare un drastico passaggio da uno stato di simmetria perfetta a uno stato in cui la simmetria forte si rompe, lasciando intatta solo la versione debole. Questa transizione avviene a una specifica intensità di rumore misurabile, dimostrando che i sistemi monodimensionali possono effettivamente ospitare questa esotica forma di ordine misto, a condizione che il rumore sia abbastanza connesso da coprire la distanza.

I ricercatori hanno iniziato la loro indagine con una famiglia di stati quantistici che possono essere modulati fluidamente tra due estremi: uno stato banale e privo di interesse e uno stato più complesso noto come fase topologica protetta dalla simmetria. Nella versione pura e priva di rumore di questi stati, la fase complessa è protetta da una speciale simmetria che mantiene al sicuro le informazioni ai bordi del sistema. Per vedere cosa accade quando il sistema diventa rumoroso, il team ha applicato un canale quantistico che simula un tipo specifico di disturbo. Questo canale fa sì che coppie di siti nella linea perdano la loro coerenza quantistica, ma con un colpo di scena: la probabilità che ciò accada diminuisce secondo una legge di potenza basata sulla distanza tra i siti. Se i siti sono vicini, il disturbo è probabile; se sono lontani, è meno probabile, ma non scompare mai completamente.

Applicando questo canale a lungo raggio ai loro stati, hanno costruito una mappa dettagliata delle fasi risultanti. Hanno scoperto che per un rumore debole, il sistema rimane in uno stato simmetrico. Tuttavia, all'aumentare dell'intensità del rumore, il sistema attraversa un confine netto verso una nuova fase in cui la simmetria forte si rompe spontaneamente, lasciando intatta solo la simmetria debole. Questa transizione, che chiamano rottura spontanea della simmetria da forte a debole, era precedentemente ritenuta impossibile in una dimensione con rumore a corto raggio. I ricercatori hanno confermato questa transizione misurando quantità specifiche che agiscono come termometri per l'ordine del sistema. Hanno scoperto che mentre le misure consuete di ordine svanivano, una misura più sofisticata, che osserva il sistema in uno spazio matematico raddoppiato, segnalava chiaramente il cambiamento. Questa nuova fase non è solo una versione disordinata di quella vecchia; è uno stato della materia distinto con le proprie proprietà uniche.

Forse la scoperta più sorprendente è stata la natura della fase che esiste subito prima che la simmetzza si rompa. Nella regione in cui il rumore è presente ma non ancora abbastanza forte da rompere la simmetria, il sistema entra in una versione mista della fase topologica. Negli stati puri, questa fase è famosa per archiviare informazioni quantistiche ai suoi bordi, protetta dalla simmetria del sistema. In questa nuova fase mista, i ricercatori hanno scoperto che il sistema conserva ancora due qubit logici di informazione, nonostante i segni tradizionali di questo ordine siano svaniti. Il modo standard per rilevare questo ordine, che prevede l'osservazione di una specifica stringa di correlazioni, fallisce completamente nello stato misto perché il rumore distrugge il segnale lineare. Tuttavia, utilizzando uno strumento diagnostico diverso che osserva la coerenza del sistema in modo non lineare, il team ha dimostto che l'informazione è ancora lì, protetta da una sottile simmetria che agisce sia sul sistema che sulla sua immagine speculare matematica. Questa fase è distinta dagli stati decoerenti studiati in precedenza perché mantiene un alto grado di purezza, il che significa che il sistema non è così disordinato come ci si potrebbe aspettare.

Lo studio ha affrontato anche un importante ostacolo pratico nell'osservazione di questi fenomeni: la difficoltà di misurare gli stati misti su computer quantistici reali. Poiché questi stati sono intrinsecamente rumorosi, misurarli richiede solitamente un numero enorme di campioni per ottenere un segnale chiaro, rendendo spesso impossibili gli esperimenti sull'hardware attuale. I ricercatori hanno scoperto che scegliendo attentamente i loro stati iniziali — specificamente, modulandoli per essere vicini a un punto speciale dove il sistema è naturalmente invariante rispetto al rumore — potevano creare stati misti che rimangono sorprendentemente puri. Questa alta purezza riduce drasticamente il numero di misurazioni necessarie per rilevare la transizione di fase. Hanno calcolato che per un sistema di diciotto siti, sondare la transizione in questo punto ottimale richiederebbe solo poche centinaia di campionamenti (shot), mentre sondare la transizione in un punto meno ottimale ne richiederebbe decine di migliaia. Ciò suggerisce che il fenomeno descritto non è solo una curiosità teorica, ma qualcosa che può essere realizzato e osservato su dispositivi quantistici a breve termine.

Il lavoro del team si basa su un astuto trucco matematico che mappa il problema quantistico su un modello classico di meccanica statistica, un quadro ben noto per lo studio di come le particelle interagiscono. In questo quadro classico, il rumore quantistico si traduce in interazioni a lungo raggio tra spin, simili a come i magneti influenzano gli uni gli altri attraverso una distanza. Questa mappatura ha permesso loro di utilizzare potenti simulazioni al computer per esplorare il comportamento del sistema attraverso un'ampia gamma di parametri. Hanno confermato che la transizione verso la fase di rottura della simmetria avviene a una finita intensità di rumore per una vasta gamma di esponenti della legge di potenza, purché le interazioni siano sufficientemente lunghe. Hanno anche dimostrato che se le interazioni fossero state a corto raggio, la transizione sarebbe scomparsa, confermando che la natura a lungo raggio del rumore è l'ingrediente chiave che permette l'esistenza di questa nuova fase in una dimensione.

In definitiva, questa ricerca apre una nuova finestra sul comportamento della materia quantistica in ambienti rumorosi. Dimostra che i limiti dei sistemi monodimensionali possono essere superati introducendo connessioni a lungo raggio, portando a un ricco diagramma di fase con nuovi stati della materia. La scoperta di una fase topologica a stato misto che conserva l'informazione quantistica nonostante la decoerenza offre una nuova prospettiva su come proteggere i dati quantistici. Inoltre, l'identificazione di un regime di parametri in cui questi stati rimangono altamente puri fornisce una via chiara per gli sperimentali per testare queste idee in laboratorio. Il lavoro suggerisce che il mondo quantistico, anche quando è disordinato e monodimensionale, contiene più sorprese e forme di ordine più robuste di quanto immaginato, in attesa di essere svelate dal tipo giusto di rumore.