Il gatto è felice e triste? Passi avanti nel controllo di qualità quantistico

Pensavate fosse impossibile dare una “sbirciatina” a un qubit prima che, misurandolo, potesse collassare in un singolo stato? Un gruppo di ricercatori dell’Università di Oxford, guidato da J. A. Sherman, ha pubblicato un articolo sulla rivista Physical Review Letters in cui si mostra che non lo è. In Experimental Recovery of a Qubit from Partial Collapse si descrive un metodo per ripristinare lo stato di un qubit dopo che è parzialmente collassato a causa della “sbirciatina”.

A differenza dei bit classici – che possono assumere solo uno dei due valori, 0 e 1 – i qubit hanno la sorprendente proprietà di potersi trovare in uno o più stati contemporaneamente. E questa proprietà si mantiene finché, a seguito del processo di misura, il qubit decade in uno stato ben preciso. Se pensate al noto esempio del gatto di Schrödinger, una volta aperta la scatola il gatto o è vivo o morto e non c’è modo di tornare indietro (ripristinando lo stato iniziale). Una delle frontiere più interessanti delle ricerche in informatica quantistica riguarda proprio la possibilità di ripristinare lo stato originario che è parzialmente collassato attraverso quella che ho chiamato sbirciatina – tecnicamente, un processo di misurazione debole. 

Con misurazione debole si intende un’osservazione che non rivela lo stato del qubit, come sarebbe se lo stessimo misurando, ma che rivela semplicemente che il qubit non è ancora collassato. Ma quando lo sbirciamo non possiamo evitare di disturbare, anche minimamente, il nostro qubit: come riottenere lo stato iniziale a meno del “disturbo”? Un metodo abbastanza semplice di recupero si basa sull’inversione degli effetti della sbirciatina; se l’idea funziona allora la misurazione debole diventa anche un buon metodo per effettuare un controllo di qualità quantistico non distruttivo.

Vediamo di capire meglio la differenza tra sbirciare e osservare/misurare un qubit. Prendiamo il gatto di Schrödinger. “Per torturare ancora l’analogia del gatto immaginate il gatto in tre stati: felice, triste, o morto. La tecnica osservativa è un modo per misurare solo se il gatto è morto o no senza imparare nulla sul fatto che il gatto è felice o triste. La caratterizzazione precisa della mistura quantistica tra felice e triste è attivamente recuperabile anche dopo aver verificato che il gatto non è morto”, ha spiegato J. A. Sherman. “Una volta che si guarda dentro la scatola, il gatto si troverà o vivo o morto e si avrà il ‘collasso completo’ del suo stato. Non vi è alcun recupero del gatto morto e, allo stesso modo, non vi è alcuna riparazione dell’informazione quantistica dopo che è  collassata”.

Osservazione degli stati di un qubit nella sfera di Bloch durante e dopo il collasso parziale. (Crediti: J. A. Sherman, et al. ©2013 American Physical Society).

Sbirciatina e spin echo. Ma, in questa prospettiva, vi sarebbe un recupero dello stato felice/triste. I fisici spiegano che il metodo di recupero dei qubit può essere pensato come una generalizzazione di un concetto noto da tempo come spin echo, un modo per “staccare la spina” a una rotazione di spin. Il metodo è stato proposto nel 2002 da L.-A. Wu e D. A. Lidar (Creating Decoherence-Free Subspaces Using Strong and Fast Pulses) e poi è stato verificato sperimentalmente nel 2008 da N. Katz et alii. (Reversal of the Weak Measurement of a Quantum State in a Superconducting Phase Qubit). Oggi i fisici hanno migliorato la precisione di questo metodo riducendo l’infedeltà di un ordine di grandezza. I miglioramenti hanno permesso di raggiungere una sostanziale recupero dello stato di un qubit per crolli parziali relativamente grandi: ad esempio, anche con una probabilità dell’80% di collasso, il contenuto informativo del qubit è preservato con una precisione superiore al 98%.

Le premesse sono ottime sul piano teorico ma, ciò nonostante, il metodo di recupero non è perfetto. La probabilità di recuperare lo stato del qubit dipende dall’entità del collasso: più è collassato e meno è probabile un suo ripristino. Un qubit completamente collassato ha probabilità pari a zero di recupero. Eppure, il metodo di recupero potrebbe essere molto utile per superare una delle più grandi sfide per lo sviluppo di dei sistemi quantistici: la decoerenza che si traduce nella perdita delle proprietà quantistiche di un sistema.

J. A. Sherman spiega i metodi di recupero. “La fonte del grande interesse per l’informazione quantistica è anche la sua più grande debolezza: la coerenza quantistica è fragile in quanto tutti i sistemi quantistici sono fortemente influenzati dall’ambiente. Per fare un uso sofisticato dell’informazione quantistica, abbiamo bisogno di metodi per rilevare e correggere questi errori. La ‘reversible peek’ che descriviamo è universalmente applicabile ed è molto utile nei casi in cui il decadimento dello stato di un qubit sia molto veloce (o nei casi di maggiore sensibilità al rumore) rispetto agli altri. Per qubit fotonici la ‘peek reversibile’ può essere implementata con tecniche ottiche birifrangenti e con i polarizzatori. Per i qubit nei superconduttori può essere realizzato con impulsi di microonde, per qubit atomici come il nostro abbiamo impiegato impulsi di frequenza ottica e radio. La ‘peek reversibile’ può essere una delle diverse tecniche che promuove una qualsiasi di queste architetture di computazione quantistica”.

In futuro i fisici hanno in programma di continuare a lavorare sui modi per utilizzare il metodo di recupero dei qubit per scopi diversi, dal controllo di qualità nei sistemi quantistici all’implementazione dei sistemi di calcolo e trasferimento dell’informazione quantistica. In questa direzione vanno le conclusioni di Sherman.

“Idealmente, la ‘peek reversibile’ potrebbe diventare una parte standard e ampiamente usata di qualsiasi cassetta degli attrezzi del meccanico quantistico. Considerate la spin echo. Vista in un modo, una spin echo è una procedura di correzione per un cambiamento indesiderato nella fase di qubit. Ma lungi dall’essere una novità accademica, la spin echo trova impiego in quasi tutti gli esperimenti quantistici sulle informazioni, per non parlare delle sue crescenti applicazioni ai livelli di segnale nella risonanza magnetica di ogni ospedale (credo circa un terzo dei rumori sordi che un paziente sente quando fa una risonanza magnetica sono causati da impulsi spin echo). Il ‘peek reversibile’ da noi studiato ha una struttura molto simile a una spin echo, ma è progettato per rilevare e correggere un diverso tipo di errore nei qubit: il decadimento spontaneo”.