Qubit-environment entanglement in pure dephasing dynamics for mixed initial states

Nella ricerca di macchine capaci di risolvere problemi che vanno oltre le capacità degli odierni computer, gli scienziati stanno cercando di sfruttare le strane regole del mondo quantistico. Al cuore di queste macchine ci sono unità di informazione minuscole chiamate qubit. A differenza dei bit di un computer standard, che sono o zero o uno, un qubit può esistere in una delicata combinazione di entrambi gli stati contemporaneamente. Questa capacità permette ai computer quantistici di esplorare molte possibilità simultaneamente. Tuttavia, questo stato delicato è incredibilmente fragile. Quando un qubit interagisce con l'ambiente circostante — che si tratti di un campo magnetico errante, di un atomo vibrante o del calore dell'ambiente — inizia a perdere le sue speciali proprietà quantistiche. Questo processo, noto come decoerenza, è l'ostacolo principale che separa l'attuale tecnologia dai potenti computer quantistici.

Per capire come proteggere questi qubit, i ricercatori devono studiare come essi si intreccino con l'ambiente. L'entanglement è un fenomeno in cui due oggetti diventano così profondamente legati che lo stato di uno influenza istantaneamente l'altro, indipendentemente dalla distanza che li separa. Nel contesto dell'informatica quantistica, questo legame è spesso un problema. Se un qubit si intreccia con l'ambiente in modo incontrollato, l'informazione che contiene fuoriesce e il calcolo fallisce. Per anni, gli scienziati sono stati in grado di prevedere esattamente quando ciò accade, ma solo sotto una specifica condizione: assumevano che il qubit partisse da uno stato perfettamente puro e ideale. Nel mondo reale, tuttavia, i qubit sono raramente perfetti. Spesso partono da uno stato "misto", già leggermente degradato da interazioni precedenti o preparazioni imperfette. La domanda rimaneva: il comportamento dell'entanglement cambia quando il qubit non è perfetto fin dall'inizio?

Un team di ricercatori della Repubblica Ceca e della Germania ha ora risposto a questa domanda studiando come un qubit interagisce con il suo ambiente quando il qubit parte da uno stato misto. Si sono concentrati su un tipo specifico di interazione chiamata dephasing puro. In questo scenario, l'ambiente non scambia energia con il qubit; invece, rimescola semplicemente il ritmo interno del qubit. Questo è un accadimento comune nei dispositivi quantistici a stato solido, come quelli realizzati con il diamante. Permettendo allo stato iniziale del qubit di essere misto, i ricercatori hanno scoperto un quadro molto più complesso e sorprendente di come l'entanglement cresca e svanisca.

Lo studio rivela che le regole che funzionavano perfettamente per i qubit puri e ideali decadono quando il qubit è misto. In passato, gli scienziati sapevano che se un qubit puro iniziava a intrecciarsi con l'ambiente, lo faceva immediatamente. Non c'erano ritardi; nel momento in cui l'interazione iniziava, il legame si formava. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che per i qubit misti, la storia è diversa. Spesso, il qubit e il suo ambiente rimangono completamente separati per un certo periodo di tempo, anche se l'interazione è attiva. Solo dopo questa fase silenziosa e separabile l'entanglement appare improvvisamente. Questo fenomeno, noto come nascita improvvisa dell'entanglement, era precedentemente considerato impossibile in questo tipo di sistema. Inoltre, proprio come l'entanglement può apparire improvvisamente, può anche svanire altrettanto rapidamente e poi riapparire in seguito. Questo ciclo di morte improvvisa e rinascita improvvisa del legame quantistico è un comportamento che non accade mai con i qubit puri, dove il legame, una volta formato, tende a persistere o a svanire gradualmente senza queste interruzioni nette.

Per testare queste idee, il team ha simulato uno scenario realistico che coinvolge un centro azoto-vacanza in un diamante. Questo è un difetto specifico nel reticolo cristallino del diamante che funge da qubit. Hanno modellato come questo qubit interagisce con un ambiente rado di spin nucleari — minuscoli momenti magnetici provenienti dagli atomi vicini. I ricercatori hanno utilizzato due metodi diversi per tracciare l'entanglement. Un metodo si basava su un insieme di controlli matematici che erano stati dimostrati efficaci per gli stati puri. L'altro metodo consisteva in un calcolo più rigoroso che poteva rilevare l'entanglement anche quando il primo metodo falliva.

I risultati hanno mostrato che il vecchio metodo, più semplice, è spesso fuorviante quando il qubit è misto. In diversi casi, i controlli semplici indicavano che il qubit e l'ambiente non erano intrecciati, mentre il calcolo più rigoroso mostrava che lo erano. Questa discrepanza era particolarmente evidente quando la quantità di entanglement era piccola. Ad esempio, in simulazioni che coinvolgevano pochi spin nucleari, il metodo semplice suggeriva che il sistema fosse sicuro e separabile, mentre il metodo rigoroso rivelava che l'entanglement stava in realtà nascendo e morendo ripetutamente. I ricercatori hanno scoperto che per un singolo spin ambientale, il sistema si comportava in modo abbastanza prevedibile, ma aggiungendo più spin all'ambiente, i controlli semplici diventavano sempre più inaffidabili. In un caso specifico con cinque spin ambientali, il metodo semplice ha mancato quasi interamente l'entanglement, segnalandolo solo per una frazione minima del tempo, mentre il metodo rigoroso mostrava che l'entanglement era presente continuamente dopo un ritardo iniziale.

Lo studio conclude che, sebbene i vecchi criteri per rilevare l'entanglement siano ancora utili come segnale di avvertimento, non sono più una guida completa. Se i criteri indicano che l'entanglement è presente, esso è sicuramente lì. Tuttavia, se i criteri dicono che il sistema è sicuro, potrebbe essere comunque intrecciato. Ciò significa che per i qubit misti, che rappresentano la realtà per la maggior parte dei dispositivi quantistici attuali, gli scienziati non possono fare affidamento sui vecchi scorciatoie per comprendere il quadro completo. Devono utilizzare strumenti più potenti per vedere i modi sottili, improvvisi e spesso nascosti in cui l'informazione quantistica perde terreno nell'ambiente. Il lavoro evidenzia che la strada per costruire computer quantistici affidabili richiede una comprensione più profonda di questi stati misti, dove il mondo quantistico si comporta in modi che sono molto meno prevedibili e molto più dinamici di quanto immaginato in precedenza.