Dynamical quantum simulations as laboratories for quantum information

I computer quantistici sono spesso immaginati come macchine che un giorno risolveranno problemi troppo complessi per qualsiasi supercomputer classico, ma il loro uso più immediato e naturale è quello di agire come uno specchio del mondo quantistico stesso. Nel mondo fisico, particelle come elettroni e atomi non si comportano come minuscole palle da biliardo; esistono in uno stato di possibilità fluida, dove le loro proprietà sono collegate attraverso lo spazio in modi che sfidano l'intuizione quotidiana. Gli scienziati utilizzano i simulatori quantistici — computer quantistici specializzati programmati per imitare materiali specifici — per osservare come queste particelle interagiscono ed evolvono nel tempo. Tradizionalmente, i ricercatori hanno usato queste macchine per misurare un singolo risultato specifico, come il modo in cui un materiale risponde a una piccola spinta magnetica. Questa risposta dice loro le proprietà del materiale, come il modo in cui conduce calore o elettricità. Tuttavia, il processo di generazione di questo singolo numero richiede che il computer crei una nuvola complessa ed evolutiva di stati quantistici. Per molto tempo, si è pensato che una volta estratto il numero finale, il resto di quella nuvola quantistica fosse solo un mezzo per un fine, un sottoprodotto temporaneo da scartare.

Un nuovo studio sfida questa visione suggerendo che gli stati quantistici creati durante queste simulazioni non siano solo pietre miliari, ma veri e propri laboratori a sé stanti. I ricercatori, lavorando con due diversi modelli di catene magnetiche composte da minuscole particelle rotanti, si sono posti una domanda semplice: se il computer sta già preparando questi intricati stati, cosa altro possiamo imparare da essi? Hanno trattato la simulazione non come uno strumento per trovare un singolo numero, ma come un modo per codificare un piccolo pezzo di informazione — un semplice segnale "sì" o "no" — in un sistema quantistico e poi osservare come quel segnale si diffonde, si nasconde e cambia mentre si muove attraverso il materiale. Facendo ciò, hanno scoperto che il modo in cui l'informazione è memorizzata in questi sistemi quantistici è molto più sottile e vario di quanto precedentemente pensato, rivelando un sorprendente divario tra quanto facilmente uno stato possa essere descritto matematicamente e quanto facilmente possa essere letto da una misurazione semplice.

I ricercatori hanno iniziato impostando un esperimento standard su una catena di cinquanta spin, che sono l'equivalente quantistico di minuscoli magneti. Hanno preparato la catena nel suo stato di energia minima e poi hanno applicato un piccolo impulso localizzato a uno degli spin centrali. Questo impulso poteva essere applicato in una delle due direzioni opposte, codificando di fatto un singolo bit di informazione classica, come uno zero o un uno, in il sistema quantistico. Dopo l'impulso, il sistema è stato lasciato evolvere naturalmente, permettendo alla perturbazione di propagarsi verso l'esterno attraverso la catena. In un esperimento tradizionale, gli scienziati misurerebbero uno spin specifico in un momento successivo per vedere come il sistema risponda a quella spinta iniziale. In questo studio, tuttavia, i ricercatori hanno osservato l'intera famiglia di stati che si sono creati durante questa evoluzione. Hanno trattato i due possibili esiti dell'impulso come due versioni diverse della stessa storia e si sono chiesti quanta parte di quella storia potesse essere recuperata da un osservatore che guarda diverse parti della catena.

Hanno scoperto che l'informazione sull'impulso iniziale non rimaneva ferma; si diffondeva, ma non in modo semplice e uniforme. Quando un osservatore guardava un singolo spin, il segnale era spesso debole e oscillante, diventando talvolta così debole da rendere quasi impossibile capire da quale direzione fosse venuto l'impulso. Tuttavia, man mano che l'osservatore ampliava la sua visione includendo gli spin vicini, il quadro cambiava drasticamente. Un gruppo più grande di spin poteva conservare l'informazione molto più a lungo e chiaramente di quanto potesse fare un singolo spin. Ciò suggerisce che la "memoria" dell'impulso iniziale non è conservata in un luogo specifico, ma è distribuita attraverso le correlazioni tra molte particelle. L'informzione diventa una proprietà collettiva del gruppo, nascosta nel modo in cui gli spin si relazionano tra loro piuttosto che nello stato di un singolo spin.

Una delle scoperte più sorprendenti è stata una chiara separazione tra quanto sia semplice descrivere uno stato quantistico e quanto sia semplice leggerlo. I ricercatori hanno confrontato due tipi di catene magnetiche. Nel primo tipo, la descrizione matematica degli stati quantistici era straordinariamente semplice; l'intero stato poteva essere ricostruito completamente conoscendo solo come le coppie di particelle fossero correlate tra loro. Nel secondo tipo, le interazioni erano più complesse e questa descrizione semplice non riusciva a catturare l'immagine completa. Intuitivamente, ci si potrebbe aspettare che il sistema più semplice sarebbe stato anche più facile da leggere. Eppure, il contrario era vero. Quando i ricercatori hanno cercato di recuperare l'informazione originale usando misurazioni semplici e dirette degli spin, hanno scoperto che il sistema più complesso produceva in realtà una frazione maggiore di informazione nascosta. Il sistema più semplice, nonostante avesse una descrizione matematica ordinata, era sorprendentemente difficile da interrogare con gli strumenti disponibili. Questo reperto implica che un sistema che appare semplice sulla carta potrebbe essere fisicamente più difficile da accedere rispetto a un sistema che appare disordinato e complicato.

Lo studio ha anche esplorato come l'informazione venga condivisa tra le diverse parti della catena. Hanno osservato se l'informazione fosse detenuta indipendentemente da gruppi separati di spin o se richiedesse che i gruppi venissero osservati insieme per essere pienamente compresa. Hanno scoperto che nel modello più semplice, l'informazione era spesso condivisa in un modo che richiedeva di osservare parti distanti della catena simultaneamente per dare un senso ad essa. I due lati della catena portavano informazioni che erano più utili se combinate piuttosto che se guardate separatamente. Nel modello più complesso, l'informazione era distribuita in modo più uniforme, con ogni lato che possedeva una quota maggiore della storia da solo. Questa differenza evidenzia che il modo in cui l'informazione quantistica viene codificata dipende profondamente dalle regole specifiche che governano le interazioni tra le particelle.

Oltre a tracciare un semplice segnale, i ricercatori hanno dimostrato che questi stessi stati potevano essere utilizzati per rispondere a domande più profonde sulla comunicazione quantistica e l'entanglement. Hanno dimostrato che la quantità di informazione persa nell'ambiente durante la simulazione limitava direttamente la capacità di recuperare un tipo speciale di legame quantistico, noto come stato di Bell, che è una risorsa per la comunicazione quantistica. Più l'ambiente "imparava" quale impulso era stato applicato, più difficile diventava preservare la delicata connessione quantistica. Inoltre, hanno esaminato l'entanglement all'interno della catena. Hanno scoperto che, mentre la perturbazione si muoveva attraverso il sistema, gli spin nella regione osservata diventavano più entangled con il resto della catena, ma l'entanglement tra gli spin all'interno di quella regione effettivamente diminuiva. Il sistema stava di fatto riorganizzando le sue connessioni interne, scambiando i legami locali con un legame più forte con il mondo esterno.

In definitiva, questo lavoro inquadra il modo in cui dovremmo vedere le simulazioni quantistiche. Invece di vederle semplicemente come macchine che calcolano un singolo numero, i ricercatori mostrano che sono potenti strumenti per esplorare la struttura fondamentale dell'informazione quantistica. Gli stati che producono non sono solo contenitori temporanei per una risposta finale; sono registri complessi ed evolutivi che contengono una ricchezza di dati su come l'informazione si propaga, come viene codificata e come può essere recuperata. Trattando queste simulazioni come laboratori per l'informazione quantistica, gli scienziati possono ora porre un insieme molto più ampio di domande sugli stati many-body che creano, scoprendo nuove intuizioni sulla natura della materia quantistica che prima erano nascoste dietro la ricerca di una singola funzione di risposta.