L’entanglement quantistico è una delle caratteristiche più singolari del mondo quantistico. Descrive una situazione in cui particelle come i fotoni sono così profondamente legate tra loro che le loro proprietà non possono essere comprese appieno singolarmente. Il sistema deve invece essere considerato come un tutt’uno. Questa idea è in netto contrasto con la visione classica secondo cui ogni particella dovrebbe possedere una propria realtà indipendente, un conflitto che notoriamente turbò Einstein.
Oggi, l’entanglement è più di un semplice enigma filosofico. È un ingrediente chiave in molte delle tecnologie che i ricercatori sperano definiranno il futuro, tra cui il calcolo quantistico, la comunicazione quantistica, la teletrasportazione quantistica e le reti quantistiche.
La sfida di leggere gli stati quantistici
Per realizzare queste tecnologie, gli scienziati non devono limitarsi a creare stati entangled. Hanno bisogno anche di metodi affidabili per determinare con precisione il tipo di stato entangled che hanno creato.
È qui che il problema si complica. Un metodo standard chiamato tomografia quantistica può stimare uno stato quantistico, ma il numero di misurazioni necessarie cresce esponenzialmente con l’aumentare del numero di fotoni. Per i sistemi composti da molti fotoni entangled, questo crea un serio collo di bottiglia.
Una soluzione più efficace sarebbe una misurazione entangled, in grado di identificare determinati stati entangled in un singolo impulso. Gli scienziati avevano già dimostrato questo tipo di misurazione per lo stato di Greenberger-Horne-Zeilinger, o GHZ. Ma lo stato W, un altro importante tipo di entanglement multifotonico, era rimasto fuori dalla portata. Prima di questo lavoro, una tale misurazione per gli stati W non era mai stata proposta né dimostrata sperimentalmente.
Gli scienziati puntano allo sfuggente stato W
Un team dell’Università di Kyoto e dell’Università di Hiroshima si è prefissato l’obiettivo di colmare questa lacuna. Il loro lavoro ha portato a un metodo per eseguire misurazioni entangled in grado di identificare gli stati W, con una dimostrazione sperimentale che utilizza tre fotoni.
“A più di 25 anni dalla proposta iniziale riguardante la misurazione dell’entanglement per gli stati GHZ, abbiamo finalmente ottenuto la misurazione dell’entanglement anche per lo stato W, con una vera e propria dimostrazione sperimentale per gli stati W a 3 fotoni”, afferma l’autore corrispondente Shigeki Takeuchi.
La svolta è arrivata concentrandosi su una caratteristica speciale degli stati W nota come simmetria di traslazione ciclica. Sfruttando questa proprietà, i ricercatori hanno proposto un circuito quantistico fotonico in grado di eseguire una trasformazione di Fourier quantistica per gli stati W con un numero qualsiasi di fotoni. In termini pratici, questo ha permesso loro di trasformare la struttura nascosta dello stato W in un segnale misurabile.
Un dispositivo stabile costruito con la luce
Per testare l’idea, il team ha costruito un dispositivo per tre fotoni utilizzando circuiti quantistici ottici altamente stabili. Il sistema è stato in grado di funzionare per un periodo prolungato senza controllo attivo, una caratteristica importante per le future tecnologie quantistiche che non possono dipendere da fragili configurazioni di laboratorio che necessitano di continue regolazioni.
I ricercatori hanno inserito tre singoli fotoni nel dispositivo in stati di polarizzazione accuratamente selezionati. Il dispositivo ha quindi distinto diversi tipi di stati W a tre fotoni. Ciascuno di questi stati rappresentava una specifica correlazione non classica tra i tre fotoni in ingresso.
Il team ha inoltre valutato la fedeltà della misurazione entangled. In questo caso, la fedeltà si riferisce alla probabilità che il dispositivo fornisca il risultato corretto quando l’input è uno stato W puro.
Perché è importante per la tecnologia quantistica
Questo risultato potrebbe contribuire a far progredire la teletrasportazione quantistica, che prevede il trasferimento di informazioni quantistiche anziché lo spostamento di materia da un luogo all’altro. Potrebbe inoltre supportare nuovi protocolli di comunicazione quantistica, il trasferimento di stati entangled multifotone e nuovi approcci al calcolo quantistico basato sulla misurazione.
“Per accelerare la ricerca e lo sviluppo delle tecnologie quantistiche, è fondamentale approfondire la nostra comprensione dei concetti di base per poter elaborare idee innovative”, afferma Takeuchi.
Questo lavoro si inserisce in un più ampio sforzo volto a spostare la comunicazione quantistica e i sistemi quantistici fotonici da delicate dimostrazioni di laboratorio verso piattaforme più scalabili. Dallo studio sullo stato W del 2025, i progressi correlati sono continuati in tutto il settore. Alla fine del 2025, i ricercatori hanno dimostrato la teletrasportazione quantistica interamente fotonica utilizzando fotoni provenienti da distinti punti quantici in una rete urbana ibrida. Nel 2026, un altro team ha presentato un chip fotonico integrato in grado di generare, manipolare e misurare l’entanglement di stati cluster multipartiti su un singolo dispositivo. Questi risultati non sono estensioni dirette dell’esperimento sullo stato W, ma dimostrano perché un migliore controllo e una misurazione più accurata dell’entanglement complesso rimangono così importanti.
Le reti quantistiche si stanno diffondendo anche nelle infrastrutture del mondo reale. Nel 2026, i ricercatori hanno testato una rete quantistica a tre nodi su cavi in fibra ottica esistenti a New York, utilizzando lo scambio di entanglement per connettere collegamenti quantistici in una piccola rete. Questo tipo di progresso evidenzia la necessità a lungo termine di misurazioni precise dell’entanglement, poiché le future reti quantistiche dipenderanno dalla capacità di creare, instradare, verificare e trasferire stati quantistici fragili.
Verso sistemi quantistici più grandi
Il team delle università di Kyoto e di Hiroshima ora prevede di estendere il proprio metodo a stati entangled multifotone più ampi e generali. Mirano inoltre a sviluppare circuiti quantistici fotonici su chip per misurazioni entangled.
Se questo sforzo avrà successo, la capacità di leggere stati quantistici complessi potrebbe diventare più veloce, più compatta e più pratica. Per le tecnologie basate sull’entanglement, ciò rappresenterebbe un passo importante verso sistemi in grado di trasferire informazioni quantistiche in modo affidabile attraverso i computer e le reti del futuro.
Astratto
Le misurazioni entangled sono uno strumento indispensabile per l’elaborazione dell’informazione quantistica, come le misurazioni dello stato di Bell nella teletrasportazione quantistica e lo scambio di entanglement. Tuttavia, fino ad oggi, la realizzazione di misurazioni entangled si è concentrata principalmente su sistemi bipartiti o stati di Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ). Qui, dimostriamo uno schema pratico per realizzare misurazioni entangled per stati. Grazie alla simmetria di spostamento ciclico nella trasformazione discreta di Fourier (DFT) dei modi bosonici, i risultati della misurazione DFT possono essere utilizzati per proiettare in modo deterministico gli stati multiqubit su stati. Sperimentalmente, mostriamo che tre qubit La discriminazione di stato può essere ottenuta rilevando la simmetria di spostamento ciclico con un circuito ottico DFT a tre modalità, ottenendo una fedeltà di discriminazione della misurazione di 0,871 ± 0,039. La nostra dimostrazione sperimentale apre la strada allo sviluppo di nuovi protocolli di rete quantistica tra sistemi multipartiti.
Geobae Park, Holger F. Hofmann, Ryo Okamoto, Shigeki Takeuchi. Entangled measurement for W states. Science Advances, 2025; 11 (37) DOI: 10.1126/sciadv.adx4180
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