Scappatoia

Natura volume 617, pagine 265–270 (2023) Citare questo articolo

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Sovrapposizione, entanglement e non località costituiscono caratteristiche fondamentali della fisica quantistica. Il fatto che la fisica quantistica non segua il principio di causalità locale1,2,3 può essere dimostrato sperimentalmente nei test di Bell4 eseguiti su coppie di sistemi quantistici entangled e separati spazialmente. Sebbene i test di Bell, che sono ampiamente considerati come una cartina di tornasole della fisica quantistica, siano stati esplorati utilizzando un’ampia gamma di sistemi quantistici negli ultimi 50 anni, solo relativamente di recente gli esperimenti privi delle cosiddette scappatoie5 hanno avuto successo. Tali esperimenti sono stati eseguiti con spin nei centri di azoto vacanti6, fotoni ottici7,8,9 e atomi neutri10. Qui dimostriamo una violazione senza scappatoie della disuguaglianza di Bell con i circuiti superconduttori, che sono uno dei principali contendenti per la realizzazione della tecnologia di calcolo quantistico11. Per valutare una disuguaglianza di Bell di tipo Clauser-Horne-Shimony-Holt4, aggrovigliamo deterministicamente una coppia di qubit12 ed eseguiamo misurazioni veloci e ad alta fedeltà13 lungo basi scelte casualmente sui qubit collegati tramite un collegamento criogenico14 che copre una distanza di 30 metri. Valutando più di 1 milione di prove sperimentali, troviamo un valore S medio di 2,0747 ± 0,0033, che viola la disuguaglianza di Bell con un valore P inferiore a 10−108. Il nostro lavoro dimostra che la non località è una nuova risorsa praticabile nella tecnologia dell'informazione quantistica realizzata con circuiti superconduttori con potenziali applicazioni nella comunicazione quantistica, nell'informatica quantistica e nella fisica fondamentale15.

Una delle caratteristiche sorprendenti della fisica quantistica è che contraddice la nostra comune comprensione intuitiva della natura secondo il principio di causalità locale1. Questo concetto deriva dall'aspettativa che le cause di un evento siano da ricercare nelle sue vicinanze (vedere la sezione I delle informazioni supplementari per una discussione). Nel 1964, John Stewart Bell propose un esperimento, ora noto come test di Bell, per dimostrare empiricamente che le teorie che soddisfano il principio di causalità locale non descrivono le proprietà di una coppia di sistemi quantistici entangled2,3.

In un test di Bell4, due parti distinte A e B contengono ciascuna una parte di un sistema quantistico entangled, ad esempio uno dei due qubit. Ciascuna parte sceglie quindi una delle due possibili misurazioni da eseguire sul proprio qubit e registra il risultato della misurazione binaria. Le parti ripetono il processo molte volte per accumulare statistiche e valutare una disuguaglianza di Bell2,4 utilizzando le scelte di misurazione e i risultati registrati. Ci si aspetta che i sistemi governati da modelli a variabili nascoste locali obbediscano alla disuguaglianza mentre i sistemi quantistici possono violarla. Le due ipotesi sottostanti nella derivazione della disuguaglianza di Bell sono la località, il concetto che il risultato della misurazione nel luogo della parte A non può dipendere dalle informazioni disponibili nel luogo della parte B e viceversa, e l'indipendenza della misurazione, l'idea che la scelta tra le due possibili misurazioni sono statisticamente indipendenti da eventuali variabili nascoste.

Un decennio dopo la proposta di Bell, i primi pionieristici test sperimentali di Bell ebbero successo16,17. Tuttavia, questi primi esperimenti si basavano su presupposti aggiuntivi18, creando lacune nelle conclusioni tratte dagli esperimenti. Nei decenni successivi, furono eseguiti esperimenti basati su sempre meno ipotesi19,20,21, finché nel 2015 e negli anni successivi non furono dimostrate violazioni della disuguaglianza di Bell prive di scappatoie, che chiudono tutte le principali scappatoie simultaneamente. ; vedi rif. 22 per una discussione.

Nello sviluppo della scienza dell’informazione quantistica, è diventato chiaro che i test di Bell basati su un numero minimo di ipotesi non sono solo di interesse per testare la fisica fondamentale, ma servono anche come risorsa chiave nei protocolli di elaborazione dell’informazione quantistica. L'osservazione di una violazione della disuguaglianza di Bell indica che il sistema possiede correlazioni non classiche e asserisce che lo stato quantistico potenzialmente sconosciuto ha un certo grado di entanglement e purezza. Questa valutazione, basata sulle correlazioni osservate tra l'input scelto (la scelta della base di misurazione) e i valori di output registrati (il risultato della misurazione) del test, non si basa sulla conoscenza del funzionamento interno del sistema: una proprietà nota come dispositivo indipendenza23. Ciò consente di identificare stati e misurazioni quantistici24, certificare il corretto funzionamento dei dispositivi di calcolo quantistico25 e stabilire chiavi comuni e segrete tra due parti con solo ipotesi limitate sui dispositivi utilizzati26. Ulteriori applicazioni dei test Bell includono la generazione e l'espansione della casualità indipendente dal dispositivo, estendendo una determinata stringa di bit casuali in modo certificato27,28 e l'amplificazione della casualità, migliorando la qualità di una fonte di casualità in modo certificato29,30, che è un compito impossibile raggiungere con mezzi puramente classici.