I fisici creano un “parco giochi” matematico per studiare le informazioni quantistiche

In un nuovo studio di Skoltech e dell’Università del Kentucky, i ricercatori hanno scoperto una nuova connessione tra l’informazione quantistica e la teoria quantistica dei campi. Questo lavoro attesta il ruolo crescente della teoria dell’informazione quantistica in varie aree della fisica. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

L’informazione quantistica gioca un ruolo sempre più importante come principio organizzativo che collega vari rami della fisica. In particolare, la teoria della correzione degli errori quantistici, che descrive come proteggere e recuperare le informazioni nei computer quantistici e in altri sistemi interagenti complessi, è diventata uno degli elementi costitutivi della moderna comprensione della gravità quantistica.

“Normalmente, le informazioni memorizzate nei sistemi fisici sono localizzate. Ad esempio, un file di computer occupa una particolare piccola area del disco rigido. Per “errore” intendiamo qualsiasi interazione imprevista o indesiderata che rimescola le informazioni su un’area estesa. Nel nostro esempio, pezzi di file del computer sarebbero sparpagliati su diverse aree del disco rigido. I codici di correzione degli errori sono protocolli matematici che consentono di raccogliere questi pezzi insieme per recuperare le informazioni originali. Sono molto utilizzati nei sistemi di archiviazione e comunicazione dei dati”. Spiega Anatoly Dymarsky, professore associato presso lo Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST).

In una svolta piuttosto inaspettata, gli scienziati si sono resi conto non molto tempo fa che la gravità quantistica, la teoria che descrive la dinamica quantistica dello spazio e del tempo, utilizza protocolli matematici simili per scambiare informazioni tra diverse parti dello spazio. “La località delle informazioni all’interno della gravità quantistica rimane uno dei pochi problemi fondamentali aperti nella fisica teorica. Ecco perché la comparsa di strutture matematiche ben studiate come i codici di correzione degli errori quantistici è intrigante”, osserva Dymarsky. Eppure il ruolo dei codici è stato compreso solo schematicamente, e il meccanismo esplicito dietro la località delle informazioni rimane sfuggente.

Nel loro nuovo articolo, lui e il suo collega, Alfred Shapere del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università del Kentucky, stabiliscono una nuova connessione tra i codici di correzione degli errori quantistici e le teorie del campo conforme bidimensionale. Questi ultimi descrivono le interazioni delle particelle quantistiche e sono diventati strumenti teorici standard per descrivere molti fenomeni diversi, dalle particelle elementari fondamentali alle quasi-particelle che emergono nei materiali quantistici, come il grafene. Alcune di queste teorie del campo conforme descrivono anche la gravità quantistica tramite corrispondenza olografica.

“Ora abbiamo un nuovo parco giochi per studiare il ruolo dei codici di correzione degli errori quantistici nel contesto della teoria quantistica dei campi. Speriamo che questo sia un primo passo per capire come funziona effettivamente la località delle informazioni e cosa si nasconde dietro tutta questa bellissima matematica”, conclude Dymarsky.