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Quantum Information Theory with Liouvillians

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Evoluzione temporale perturbata e memoria quantistica

Il matrimonio tra la teoria dell’informazione e la meccanica quantistica ha dato luogo al campo della computazione quantistica. Ora, gli scienziati hanno avanzato un formalismo matematico che promette di rendere possibile la realizzazione pratica.

Economia digitale

Diversi anni fa, un concetto chiamato computazione quantistica dissipativa è stato proposto come un modo affidabile per implementare algoritmi quantistici. La dissipazione fa riferimento al processo irreversibile della perdita di energia. Poiché la meccanica quantistica è tipicamente descritta mediante un formalismo matematico (Hamiltoniana) in cui l’energia totale del sistema si conserva, è stato richiesto un nuovo formalismo. Gli scienziati hanno lanciato il progetto finanziato dall’UE QUINTYL (Quantum information theory with Liouvillians) per far avanzare la struttura matematica sottostante le evoluzioni temporali dissipative (perturbate) quantistiche. L’obiettivo principale consisteva nell’integrare l’evoluzione temporale dissipativa controllabile nei componenti chiave della teoria dell’informazione quantistica. Stabilire la fattibilità degli approcci dissipativi per l’elaborazione dell’informazione quantistica potrebbe rappresentare un passo da gigante verso la realizzazione di un computer quantistico. I ricercatori hanno raggiunto tutti gli obiettivi iniziali, iniziando con l’introduzione di metodi di analisi di basati su Fourier nei framework matematici che descrivono i processi stocastici quantistici e classici (specificamente, Markov) per controllare i loro comportamenti di convergenza. Un nuovo framework matematico supporta la quantificazione della capacità di archiviazione delle memorie quantistiche perturbate. È stato applicato con successo a diverse operazioni di controllo che potrebbero essere applicate durante il tempo di archiviazione nel contesto dell’evoluzione temporale dissipativa controllabile e nella computazione quantistica. Inoltre, l’output analitico sarà utile per il confronto con le osservazioni delle implementazioni della memoria quantistica sperimentale. In altri lavori, il team ha stabilito i limiti nel dominio quantistico che definiscono le restrizioni energetiche fondamentali sulle future implementazioni di computer quantistici. I limiti inoltre rappresentano un compromesso tra efficienza di tempo ed energia di processo. Altri nuovi algoritmi consentono un funzionamento solido anche in ambienti perturbati mal definiti. L’implementazione ha comportato un’accelerazione significativa nel tempo di calcolo per una ricerca non strutturata, anche rispetto agli algoritmi classici non perturbati. I fondamenti matematici per la computazione quantistica sono stati rafforzati in modo significativo e i risultati sono stati ampiamente divulgati all’interno della comunità scientifica. I risultati probabilmente avranno ramificazioni profonde per le dimensioni e la natura dei problemi che possono essere affrontati nei campi dalla cosmologia, alla fisica delle particelle, alla biomedicina.

Parole chiave

Evoluzione temporale perturbata, computazione quantistica dissipativa, teoria dell’informazione quantistica, Liouvilliani

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5 Novembre 2018