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QUANTUM

FINITE AND INFINITE QUANTUM SYSTEMS

Entanglement, Coherence and Control

La rete di ricerca INFN (Iniziativa Specifica) QUANTUM coinvolge 10 gruppi di ricerca: Bari, Bologna, Camerino, Catania, Palermo, Milano (Como), Napoli, Salerno, Padova e Trieste, affiliati a 7 sezioni teoriche INFN: Bari, Bologna, Catania, Milano, Napoli, Padova e Trieste. L’obiettivo principale di QUANTUM è lo studio degli effetti e dei fenomeni tipicamente quantomeccanici attraverso tre linee principali, interconnesse tra loro:

entanglement e altre correlazioni quantistiche
simulazione quantistica e
teoria del controllo quantistico.

Temi comuni riguardano i legami dell’entanglement con la complessità e la teoria dell’informazione, il suo ruolo chiave nelle transizioni di fase quantistiche e l’analisi dei sistemi a molti corpi; il campo delle simulazioni quantistiche, con applicazioni rivoluzionarie alla fisica delle alte energie, alle teorie di gauge su reticolo, ai sistemi a molti corpi e alle teorie quantistiche dei camp; lo sviluppo di nuove tecniche di misura e controllo per sistemi quantistici aperti richiede strategie volte a migliorare l’efficienza dei processi termodinamici alla scala quantistica, l’imaging sotto il limite dello shot noise e la metrologia quantistica.

Lo sforzo teorico è interdisciplinare e fortemente sinergico, e prevede strette collaborazioni tra i partner, scambi di studenti, post-doc e giovani ricercatori, nonché l’impiego di tecniche analitiche e metodi numerici provenienti dalla teoria quantistica dei campi, dalla meccanica statistica e dalla teoria dell’informazione quantistica.

Simulazioni quantistiche

Lavoriamo a protocolli di simulazione quantistica per teorie di campo su reticolo abeliane e non abeliane, affrontando la preparazione di eccitazioni specifiche, inclusi stati a bassa energia e/o di natura topologica, nonché la loro dinamica in tempo reale. Questi problemi vengono dapprima validati mediante tecniche numeriche ispirate alla fisica quantistica e successivamente affrontati attraverso simulazioni quantistiche sia analogiche sia digitali, progettate tenendo conto di specifici dispositivi NISQ, basati principalmente su tecnologie atomiche e superconduttive.

Forniremo inoltre benchmark teorici e configurazioni ottimali per la simulazione quantistica di Hamiltoniane a molti corpi su diverse piattaforme, dalle miscele Fermi-Fermi e Bose-Fermi ai sistemi atomici guidati coerentemente.

Entanglement e risorse quantistiche

Analizziamo l’interazione tra l’entanglement quantistico e altre risorse quantistiche che stanno diventando sempre più rilevanti nella fisica quantistica a molti corpi. In particolare, esploriamo la relazione tra l’entanglement e la cosiddetta nonstabilizerness, o magia quantistica, nonché la non-Gaussianità e l’asimmetria quantistica.

Queste risorse vengono studiate in diversi contesti, sia all’equilibrio sia fuori dall’equilibrio, e viene inoltre investigata la loro rilevanza per diagnosticare transizioni di fase in senso ampio. Questi risultati guidano anche lo sviluppo di metodi per le simulazioni quantistiche, sia nell’ambito dei “Clifford-augmented matrix product states” sia in quello degli algoritmi digitali.

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Staff: Marcello Dalmonte, Cristian Degli Esposti Boschi, Elisa Ercolessi, Alfredo Iorio, David Aram Korbany, Michele Mazzoni, Piebiagio Pieri, Lorenzo Piroli

PhD students: Juan Pablo Bayona Pena, Pietro Bovini, Marko Brnovic, Matteo Grotti, Milajiguli Rexiti, Octavio, Francesco Pirolo, Leonardo Pisani, David Gyorgy Szasz-Schgrin, Jinghao Wang

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