- La memoria quantistica esiste davvero?
- Può dipendere da come osserviamo un sistema?
- Cosa cambia per la fisica quantistica e i sistemi quantistici?
La memoria quantistica dipende da come osserviamo il sistema: nuovo studio cambia prospettiva
La memoria quantistica potrebbe non essere una proprietà assoluta dei sistemi fisici come si è pensato per anni. Un nuovo studio condotto da ricercatori di università in Finlandia, Italia e Polonia suggerisce che la presenza di effetti di memoria nei sistemi quantistici dipende anche dal modo in cui il sistema viene descritto e osservato all’interno della meccanica quantistica.
L’analisi, che riguarda l’evoluzione dei sistemi quantistici aperti, mette in discussione una delle idee più diffuse nella fisica quantistica: quella secondo cui la memoria di un sistema sarebbe una caratteristica oggettiva e indipendente dal metodo teorico utilizzato per analizzarla.
Secondo i risultati della ricerca, invece, alcuni effetti di memoria quantistica possono emergere oppure scomparire semplicemente cambiando il punto di vista matematico con cui si studia il sistema.
Che cosa significa che un sistema quantistico ha memoria?
Nel linguaggio della fisica teorica, la memoria di un sistema indica quanto il suo passato influenzi il comportamento futuro.
Nella fisica classica, un sistema viene considerato senza memoria quando la sua evoluzione dipende esclusivamente dallo stato presente. In questo caso si parla di processo markoviano.
Se invece gli stati precedenti continuano a influenzare l’evoluzione successiva, si entra nel campo dei processi non markoviani, dove il sistema conserva tracce della propria storia.
Questa distinzione è fondamentale nello studio dei sistemi quantistici aperti, cioè sistemi che interagiscono continuamente con l’ambiente circostante. L’interazione con l’ambiente introduce rumore quantistico, modifica l’evoluzione del sistema e può permettere alla informazione quantistica di fluire avanti e indietro tra sistema e ambiente.
Comprendere quando si verificano questi effetti di memoria quantistica è essenziale per diversi ambiti della ricerca, tra cui:
- computazione quantistica
- comunicazione quantistica
- sensori quantistici
- studio della decoerenza quantistica
- stabilità dei qubit
Come si studia la memoria nei sistemi quantistici aperti?
Per analizzare l’evoluzione temporale di un sistema quantistico, i fisici utilizzano strumenti matematici chiamati mappe dinamiche.
Queste descrivono come lo stato del sistema cambia nel tempo sotto l’influenza dell’ambiente.
Uno dei concetti chiave utilizzati è la divisibilità delle mappe dinamiche, una proprietà matematica che permette di suddividere l’evoluzione temporale del sistema in passaggi intermedi.
Quando questa divisibilità viene violata, significa che parte dell’informazione precedentemente trasferita all’ambiente ritorna al sistema. Questo fenomeno è interpretato come un segnale di memoria quantistica.
Per molti anni, la presenza o l’assenza di questa proprietà è stata uno dei criteri principali per distinguere tra dinamiche markoviane e dinamiche non markoviane nei sistemi quantistici.
Perché la meccanica quantistica offre due modi diversi di descrivere l’evoluzione?
All’interno della meccanica quantistica, esistono due formulazioni matematiche equivalenti che permettono di descrivere l’evoluzione di un sistema:
- il formalismo di Schrödinger
- il formalismo di Heisenberg
Entrambi producono le stesse previsioni sperimentali, ma si concentrano su elementi diversi della teoria.
Nel quadro di Schrödinger, ciò che evolve nel tempo sono gli stati quantistici del sistema. Questo stato contiene tutte le informazioni necessarie per prevedere il risultato di qualsiasi misura.
Nel quadro di Heisenberg, invece, lo stato rimane fisso e a cambiare nel tempo sono gli osservabili quantistici, cioè le grandezze fisiche che possono essere misurate, come:
- posizione
- energia
- spin
Per decenni la maggior parte degli studi sulla non-markovianità quantistica e sugli effetti di memoria si è concentrata quasi esclusivamente sul formalismo di Schrödinger.
Il nuovo lavoro scientifico esplora invece cosa accade quando l’analisi viene effettuata anche nel formalismo di Heisenberg.
La memoria quantistica dipende dal punto di vista teorico?
Il risultato più sorprendente dello studio emerge confrontando il comportamento della divisibilità delle mappe dinamiche nei due diversi formalismi.
I ricercatori hanno dimostrato che la divisibilità nel quadro di Schrödinger e la divisibilità nel quadro di Heisenberg non sono concetti equivalenti dal punto di vista matematico.
Questo significa che una stessa evoluzione fisica può apparire:
- priva di memoria quando si analizzano gli stati quantistici
- dotata di memoria quando si studia l’evoluzione degli osservabili
E la situazione può verificarsi anche in senso opposto.
In altre parole, la presenza di memoria quantistica non dipende soltanto dal processo fisico reale, ma anche dal modo in cui la teoria descrive il sistema.
Questo risultato suggerisce che alcuni fenomeni potrebbero essere stati interpretati in modo incompleto negli studi precedenti.
Come si possono individuare gli effetti di memoria nascosti?
Per dimostrare la differenza tra i due approcci, gli autori dello studio hanno sviluppato nuovi strumenti matematici capaci di misurare la violazione della divisibilità nel formalismo di Heisenberg.
L’idea centrale consiste nel valutare quanto sia facile distinguere tra due possibili misurazioni quantistiche.
Nel metodo tradizionale, basato sugli stati quantistici, si misura quanto sia semplice distinguere tra due stati diversi. Se nel corso dell’evoluzione questa distinzione aumenta, significa che l’informazione è tornata dall’ambiente al sistema.
Il nuovo approccio introduce invece uno scenario duale: invece di distinguere stati, si cerca di distinguere misure quantistiche possibili.
Se la probabilità di identificare correttamente quale misura viene effettuata aumenta con il tempo, questo indica la presenza di effetti di memoria quantistica nel quadro di Heisenberg.
Questo metodo permette quindi di individuare forme di memoria nascoste che non emergono nelle analisi tradizionali.
Quali conseguenze per la computazione quantistica e le tecnologie future?
La scoperta ha implicazioni rilevanti per la ricerca sui sistemi quantistici aperti e per lo sviluppo delle tecnologie basate sulla informazione quantistica.
In particolare potrebbe influenzare studi e applicazioni legati a:
- computer quantistici
- reti di comunicazione quantistica
- sensori quantistici ad alta precisione
- controllo del rumore quantistico
- stabilità e coerenza dei qubit
Se la memoria quantistica dipende anche dal metodo di analisi utilizzato, alcuni processi finora considerati completamente markoviani potrebbero in realtà nascondere effetti di memoria non ancora identificati.
Riconoscere correttamente queste dinamiche potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare nuove strategie per:
- ridurre la decoerenza quantistica
- migliorare il controllo dell’ambiente quantistico
- progettare dispositivi quantistici più stabili
Lo studio suggerisce infine che l’analisi dei sistemi quantistici potrebbe richiedere strumenti teorici più ampi rispetto a quelli utilizzati finora. Anche concetti apparentemente consolidati della fisica quantistica possono rivelare nuove sfumature quando vengono osservati da prospettive matematiche differenti.