Nello studio “Emergence of Constructor-Based Irreversibility in Quantum Systems: Theory and Experiment”, pubblicato il 23 Febbraio 2022 sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters, un team di ricercatori INRiM, in collaborazione con l’Università di Oxford, ha dimostrato la compatibilità tra l’irreversibilità e le leggi temporalmente simmetriche della meccanica quantistica, nell’ambito della teoria dei costruttori (constructor theory in inglese).
La questione dell’irreversibilità è stata da sempre affrontata con diversi metodi, da quelli propri della meccanica statistica a quelli di teoria dell'informazione basati su compiti logicamente irreversibili, fino a quelli relativi al secondo principio della termodinamica, sia nella sua forma classica che in quella quantistica. Tuttavia, in ciascun caso è sempre sorta una tensione tra la modellizzazione dei fenomeni irreversibili e le leggi quantistiche, reversibili temporalmente.
Nello studio, i team di INRiM e Università di Oxford hanno definito l'irreversibilità come il fatto che una trasformazione T può essere realizzata arbitrariamente bene da una macchina ciclica, mentre lo stesso non vale per la sua inversa T~. Un tipico esempio di questa definizione di irreversibilità è dato dall'esperimento di Joule: un volume d'acqua può essere riscaldato unicamente per via meccanica, ma non può essere raffreddato in tal modo. Il concetto di macchina ciclica che esegue una trasformazione è stato generalizzato da von Neumann a quello di costruttore, cioè un sistema in grado di svolgere un determinato compito su un altro sistema pur rimanendo in grado di ripetere la procedura. Quindi, una trasformazione è possibile solo se esiste un costruttore in grado di realizzarla.
Per mostrare la compatibilità tra la constructor-based irreversibility (definizione di irreversibilità che generalizza quella di Joule) e le leggi temporalmente simmetriche della meccanica quantistica, è stato studiato un modello a qubit incentrato sull'omogeneizzatore quantistico, ovvero una macchina composta da un insieme di N qubit, tutti preparati in uno stesso stato specifico. Nei laboratori INRiM è stata inoltre realizzata un’implementazione sperimentale di tale modello, mediante qubit a singolo fotone.
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