L’entanglement dei qubit per capire i buchi neri
Il fenomeno della perdita dell’informazione associata alla materia che viene inghiottita da un buco nero può essere riprodotto in laboratorio usando qubit, cioè analoghi quantistici dei bit, che sono tra loro legati dall’entanglement. Lo ha dimostrato uno studio in cui è stato anche definito un nuovo protocollo per l’efficienza dei futuri computer quantistici
Un esperimento effettuato sul bancone di un laboratorio può essere sufficiente per studiare e capire fenomeni che avvengono nel cosmo, a distanze enormi da noi. L’ennesima riprova di questo principio è stata pubblicata su “Nature” da Kevin Landsman dell’Università del Maryland e colleghi, che tra le quattro pareti delle loro stanze hanno dimostrato il fenomeno del “rimescolamento” (scrambling) dell’informazione quantistica che si verifica quando la materia è inghiottita da un buco nero.
Gli ingredienti di questo studio complesso sono alcuni dei più peculiari fenomeni della meccanica quantistica. I primi due sono i qubit e l’entanglement.
Schema del paradosso dell’informazione del buco nero risolto grazie all’entanglement: Alice fa cadere un qubit in un buco nero; l’informazione a associata al qubit andrebbe perduta, se non fosse per la radiazione di Hawking, i cui fotoni possono essere entangled con il qubit. Misurando questi fotoni, Bob potrebbe ricostruire il qubit. (Credit: Norman Yao, UC Berkeley)
I qubit sono definiti come l’analogo quantistico dei bit, le unità d’informazione binaria che costituiscono i “mattoni elementari” del calcolo computerizzato attuale. I bit sono codificati sostanzialmente da un interruttore elettrico microscopico, che ha due soli stati: “aperto” e “chiuso”, e dunque possono assumere solo due valori, indicati convenzionalmente come 0 e 1.
I qubit sono codificati dallo stato, per esempio lo spin, di una particella elementare, per esempio un elettrone. Nel caso dell’elettrone, lo spin può essere convenzionalmente “su” o “giù” (a indicare le due possibili direzioni della rotazione della particella su se stessa), e quindi codificare i simboli 0 e 1. Il passaggio fondamentale dal bit al qubit è che quest’ultimo, per la sua natura quantistica, può assumere come valori anche combinazioni virtualmente infinite di 0 e 1. Per questo motivo i computer quantistici, da tempo annunciati ma ancora in fase di studio e progettazione, hanno una potenza di calcolo infinitamente più elevata di quella dei computer attuali.
L’uso dei qubit, che si sta sperimentando in vari laboratori del mondo, è strettamente connesso all’entanglement, una correlazione di natura quantistica che, in condizioni opportune, può essere stabilita tra due particelle. La relazione tra le particelle in entanglement è tale che quando si misura lo stato di una delle due, immediatamente si conosce anche lo stato dell’altra, senza necessità di misurarlo. Ma c’è di più: questo fenomeno si verifica anche se le due particelle sono estremamente lontane tra loro. In gergo, i fisici designano questo fenomeno come teletrasporto quantistico.
Riportato questo modello ai computer quantistici, due qubit entangled sono legati da una correlazione dei loro stati, e l’informazione quantistica può essere “teletrasportata”.
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(Focus Universo a raggi X Buchi neri)
Tutto questo ragionamento può essere usato come chiave per risolvere un paradosso che dura da decenni, noto come paradosso dell’informazione del buco nero. Secondo la meccanica quantistica, l’informazione associata agli stati quantistici non si può perdere. Quando però la materia viene inghiottita in un buco nero, l’informazione correlata ai suoi costituenti fondamentali viene mescolata in modo caotico con tutta la materia e l’informazione che già si trova nel buco nero.
Alcune teorie prevedono che questa informazione si perderà per sempre, perché non esiste un processo che ne permetta in qualche modo il recupero. Altre invece sostengono che questa informazione possa essere ricostruita, ma solo dopo un tempo lunghissimo per i parametri umani: bisognerebbe infatti aspettare che il buco nero si sia ridotto alla metà circa delle dimensioni iniziali, per effetto del fenomeno di evaporazione, previsto da Stephen Hawking nel 1975, accompagnato dall’emissione di una radiazione, nota come radiazione di Hawking.
C’è però un metodo per recuperare questa informazione in caduta nel buco nero in modo più rapido, almeno in linea teorica: basterebbe poter misurare i sottili entanglement tra il buco nero e la radiazione che emette.
”Occorrerebbe un calcolo quantistico massiccio sui fotoni che costituiscono la radiazione di Hawking”, ha spiegato Norman Yao, professore di fisica dell’Università della California a Berkeley e coautore dell’articolo. “Questo sarebbe incredibilmente difficile, ma sarebbe possibile in linea di principio, ed è proprio quello che abbiamo cercato di fare noi sperimentalmente”.
In pratica Yao e colleghi hanno realizzato in laboratorio un minuscolo circuito di sette qubit e al suo interno un analogo di “buco nero”: tre qubit in cui avrebbe potuto verificarsi il fenomeno di rimescolamento dell’informazione. Con un particolare protocollo di misurazione, Yao e colleghi hanno dimostrato che il rimescolamento è effettivamente avvenuto nei tre qubit interni.
Il protocollo, secondo i ricercatori, rappresenta un nuovo parametro per verificare l’efficienza dei circuiti quantistici che sono realizzati nei laboratori nel lungo cammino di sperimentazione delle unità di base del computer quantistico.
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