Simulazione fotonica quantistica di una catena di spin

Friday, 17 November, 2017

Photonic Simulation of Entanglement Growth and Engineering after a Spin Chain Quench
Ioannis Pitsios, Leonardo Banchi, Adil Syed Rab, Marco Bentivegna, Debora Caprara, Andrea Crespi, Nicolò Spagnolo, Sougato Bose, Paolo Mataloni, Roberto Osellame, and Fabio Sciarrino
Nature Communications 8, 1569 (2017)

I simulatori quantistici sono sistemi controllabili sperimentalmente che vengono utilizzati per studiare la dinamica di altri sistemi quantistici, analoghi ma più complessi, non trattabili con tecniche di computazione classica. Tali simulatori devono essere in grado di riprodurre le proprietà quantistiche peculiari del modello da studiare. Diventa quindi fondamentale verificare questa capacità attraverso modelli di sistemi il cui comportamento può essere predetto con approcci classici. Uno di questi paradigmi è rappresentato dalle catene di spin: in presenza di una dinamica opportuna e dopo un tempo caratteristico la catena di spin si trova in uno stato quantistico altamente correlato a blocchi, che coinvolge a coppie tutti gli N siti del sistema. Mentre tale fenomeno è noto da un punto di vista teorico, nessuna realizzazione sperimentale di un sistema di spin con questo tipo di correlazione è stata riportata finora.

Un recente lavoro realizzato nell’ambito di una collaborazione internazionale tra il gruppo di Quantum Information Lab del Dipartimento di Fisica, coordinato da Fabio Sciarrino, il gruppo di Roberto Osellame dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Consiglio Nazionale delle ricerche, e due ricercatori dell’University College of London, ha realizzato un simulatore quantistico fotonico di catene di spin a 5 siti. Tale simulatore è basato su circuiti ottici integrati ottenuti mediante la tecnica della scrittura laser al femtosecondo. In particolare, la dinamica della catena di spin viene simulata mediante un primo interferometro, nel quale vengono iniettati due fotoni in uno stato entangled della loro polarizzazione. Un secondo interferometro con elementi attivi posto in cascata ha invece permesso di verificare la generazione dello stato altamente correlato a blocchi. Tali risultati sono stati possibili grazie alle caratteristiche uniche dei dispositivi integrati che, nella stessa piattaforma permettono di ottenere un controllo completo della trasformazione realizzata, di inserire elementi riconfigurabili e di supportare la propagazione della polarizzazione. Tali risultati mostrano le potenzialità dei circuiti fotonici integrati per l’ottimizzazione di dispositivi quantistici.

Info:
Fabio Sciarrino
Quantum Information Lab
Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
T: (+39) 06 4991 3517
Email: fabio.sciarrino@uniroma1.it