TELETRASPORTO QUANTISTICO

La disciplina che studia la tecnica del “Teletrasporto Quantistico” e' l'Informatica Quantistica; essa si occupa di tutte quelle procedure di calcolo che, per memorizzare ed elaborare le informazioni, utilizzano i “quanti”.

La tecnica del Teletrasporto Quantistico permette, sotto certe restrizioni, di trasferire, in un punto arbitrariamente lontano, uno stato quantico di una particella, come ad esempio lo stato di polarizzazione dei fotoni, lo stato di spin degli elettroni o lo stato di eccitazione degli atomi. In pratica, con il Teletrasporto Quantistico la particella “ricevente” acquisisce esattamente lo stesso stato quantico di quella “trasmittente” senza che la stessa particella venga materialmente trasferita. Poiche' il “Principio di Indeterminazione di Heisenberg” vieta di conoscere con esattezza lo stato quantico della particella trasmessa, la proprieta' detta “correlazione non locale” (Entanglement) permette, in un processo di Teletrasporto Quantistico, di superare questo problema.

ENTANGLEMENT QUANTISTICO

L'Entanglement Quantistico e' l'effetto coinvolto in un processo di Teletrasporto Quantistico. Fu Erwin Schrödinger nel 1926 ad ipotizzare, per la prima volta, questo effetto quantistico e fu egli stesso ad introdurre nel 1935 il termine "Entanglement" (letteralmente: groviglio, intreccio).

La “correlazione quantistica” o Entanglement Quantistico e' anche conosciuta come “non-separabilita'”, poiche' implica la presenza di correlazioni a distanza tra le quantita' fisiche osservabili dei sistemi coinvolti, determinando cosi' il carattere “non locale” della Teoria Quantistica.

Sulla base dell'Entanglement Quantistico, se due particelle interagiscono per un certo periodo di tempo e poi vengono separate, quando una delle due viene sollecitata in modo tale da cambiare il suo stato, istantaneamente sulla seconda particella si manifesta un'analoga sollecitazione, a qualunque distanza essa si trovi rispetto alla prima; in altri termini, anche la seconda particella modifica istantaneamente il suo stato. Il fenomeno Entanglement viola dunque il “principio di localita'”, secondo il quale cio' che accade in un luogo non puo' influire immediatamente su cio' che accade in un altro.

Albert Einstein, pur avendo dato importanti contributi alla Teoria Quantistica, non accetto' mai che una particella potesse istantaneamente influenzare un'altra particella. Egli cerco' a lungo di dimostrare che la “violazione della localita'” fosse solo apparente, ma tutti i suoi tentativi furono respinti dai suoi oppositori.

L'Entanglement viene indicato spesso come “effetto EPR”, dalle iniziali di Albert Einstein, Boris Podolski e Nathan Rosen che, nel 1935, ne analizzarono le conseguenze su particelle poste a grandi distanze. Le particelle coinvolte in questo effetto sono anche dette “coppie EPR”.

Nel 1982 il fisico Alain Aspect, con una serie di sofisticati esperimenti, dimostro' l'esistenza del fenomeno Entanglement e quindi l'inconsistenza della posizione di Einstein.

Nell'ottobre del 1998 il fenomeno Entanglement fu definitivamente confermato dalla riuscita di un esperimento sul Teletrasporto, effettuato dall'Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, in California.

Un semplice esperimento sul fenomeno “Entanglement”

Due particelle “gemelle” vengono lanciate in direzioni opposte. Se la particella 1, durante il suo tragitto, incontra un magnete che ne devia la direzione verso l'alto, la particella 2, invece di continuare la sua traiettoria in linea retta, devia contemporaneamente la sua direzione ed assume un moto contrario alla sua gemella:

Questo esperimento dimostra che:

1. le particelle sono in grado di comunicare tra loro trasmettendo ed elaborando informazioni;

2. la comunicazione e' istantanea.

Il fisico Niels Bohr disse: “Tra due particelle [correlate] che si allontanano l'una dall'altra nello spazio, esiste una forma di azione-comunicazione permanente. […]. Anche se due fotoni si trovassero su due diverse galassie continuerebbero pur sempre a rimanere un unico ente …”

GLI ESPERIMENTI DI ALAN ASPECT

Alain Aspect, con la collaborazione dei ricercatori J.Dalibard e G.Roger dell'Istituto di Ottica dell'Universita' di Parigi, dimostro' l'esistenza dell'Entanglement, confermando cosi' le ipotesi di "non localita'" della Teoria Quantistica.

La figura rappresenta una schematizzazione delle apparecchiature utilizzate da Aspect e dai suoi collaboratori durante gli esperimenti. Un atomo di calcio eccitato, posto al centro della figura, produce una coppia di fotoni correlati che si muovono lungo i percorsi opposti A e B:

Lungo il percorso A, di tanto in tanto, viene inserito un cristallo birifrangente che funge da filtro. Quando il fotone interagisce con il cristallo si puo' verificare, con una probabilita' del 50%, che il fotone venga deviato o che attraversi il cristallo proseguendo indisturbato per la sua strada. Alle estremita' di ciascun tragitto, previsto per ciascun fotone, e' posto un rivelatore di fotoni che ne permette la rilevazione. Aspect osservo' che, nel momento in cui veniva inserito il cristallo birifrangente lungo il percorso A e si verificava una deviazione del fotone 1 verso il rivelatore C, anche il fotone 2 del percorso B (senza “ostacoli” davanti), "spontaneamente" ed “istantaneamente”, deviava verso il rivelatore D. In pratica, l'atto di inserire il cristallo birifrangente, con la conseguente deviazione del fotone 1, faceva deviare il fotone 2 istantaneamente e a distanza.

Tutto cio' puo' sembrare strano, ma e' proprio quello che accade quando si eseguono esperimenti su coppie di particelle correlate. Qundi, l'idea che particelle correlate rappresentino enti distinti, quando esse sono situate in luoghi distanti, deve essere abbandonata.

Brian Josephson, premio Nobel per la Fisica, in riferimento all'unicita' della materia che scaturisce dalla visione “non localistica” della Teoria Quantistica, si esprime cosi': “L’universo non è una collezione di oggetti, ma una inseparabile rete di modelli di energia vibrante nei quali nessun componente ha realtà indipendente dal tutto: includendo nel tutto l’osservatore”.

IL PROCESSO DI TELETRASPORTO QUANTISTICO

In figura e' rappresentato schematicamente un processo di Teletrasporto Quantistico, la cui descrizione puo' essere sintetizzata nei punti seguenti:

1. Produzione di una coppia di fotoni A e B correlati o entangled mediante opportuno dispositivo.

2. Invio dei fotoni entangled A e B rispettivamente alla stazione trasmittente T ed alla stazione ricevente R.

3. Invio del fotone C, di cui si vuole teletrasportare lo stato di polarizzazione, alla stazione trasmittente T.

4. Interazione, alla postazione di partenza T, tra i fotoni A e C e misura sul sistema composto.

5. Simultaneo cambiamento, nel momento della misura, dello stato di polarizzazione del fotone B, alla stazione R.

6. Comunicazione alla stazione R, con mezzi classici (es: telefonata), del risultato della misura effettuata sul sistema composto “AC”. (La misura puo' dare uno tra quattro possibili risultati).

7. Modifica dello stato del fotone B in base all'informazione comunicata.

8. Risultato: Teletrasporto quantistico del fotone C, ossia “ottenimento di un fotone con lo stesso stato di polarizzazione del fotone C senza effettuare alcuna misura su di esso”.

IL PROCESSO DI TELETRASPORTO QUANTISTICO PIU' IN DETTAGLIO

Amanda e Bert intendono teletrasportare il fotone C. Amanda si trova nella postazione T e Bert e' nella postazione R.

All'inizio del processo ciascuno riceve un fotone di una coppia entangled: Amanda riceve il fotone A e Bert riceve il fotone B. Invece di effettuare una misura sui fotoni, sia Amanda che Bert conservano il proprio fotone senza disturbarne lo stato entangled.

Amanda riceve un terzo fotone C che intende teletrasportare a Bert. In pratica Amanda, senza conoscere lo stato di polarizzazione del fotone C, vuole che Bert abbia un fotone con la stessa polarizzazione di C. Si badi che Amanda non puo' misurare lo stato di polarizzazione del fotone C e comunicare il risultato a Bert poiche', per il Principio di Indeterminazione, la misura non riprodurrebbe con esattezza lo stato originario del fotone.

Per teletrasportare il fotone C, Amanda fa interagire A e C ed esegue una misura sul sistema composto, senza determinare, in termini assoluti, le singole polarizzazioni dei due fotoni. La misura puo' dare uno tra 4 possibili risultati. In termini tecnici, una misurazione congiunta di questo tipo e' chiamata misurazione dello stato di Bell ed ha un effetto particolare: “induce istantaneamente un cambiamento nel fotone di Bert, correlandolo al risultato della misura effettuata da Amanda ed allo stato che il fotone C aveva originariamente”.

Per completare il teletrasporto, Amanda deve inviare a Bert un messaggio con metodi convenzionali (una telefonata o un appunto scritto).

Dopo aver ricevuto questo messaggio, Bert, se necessario, puo' trasformare il suo fotone B in modo da renderlo una replica esatta del fotone C originale. La trasformazione che Bert deve applicare dipende dal risultato della misurazione di Amanda.

Quale dei quattro possibili risultati ottenga Amanda e' frutto del caso. Bert dunque non sa come modificare il suo fotone finche' non riceve da Amanda il risultato della misurazione. Dopo questa trasformazione il fotone di Bert e' nello stesso stato del fotone C.

Cio' che viene teletrasportato quindi non e' il fotone, ma il suo stato di polarizzazione o, piu' in generale, il suo stato quantico. Tuttavia, poiche' lo stato quantico e' una caratteristica peculiare di una particella, teletrasportare lo stato quantico e' come teletrasportare la particella stessa.

E' importante osservare che la misura che esegue Amanda accoppia il fotone A al fotone C. Il fotone C perde cosi' tutta la "memoria" del suo stato originario. Dunque, lo stato originario del fotone C, dopo la misurazione, scompare dal luogo in cui si trova Amanda. Il risultato della misura di Amanda, essendo del tutto casuale, non dice nulla sullo stato quantico. In questo modo il processo aggira il Principio di Indeterminazione di Heisenberg che non consente la completa determinazione dello stato di una particella, ma permette il teletrasporto dello stato, purche' non si cerchi di conoscere quale esso sia.

Il trasferimento dello stato del fotone C e' avvenuto senza che ne' Amanda ne' Bert sapessero nulla di esso. Inoltre, l'informazione quantistica teletrasportata non viaggia materialmente. Cio' che viene trasferito, in realta', e' solo il messaggio sul risultato della misurazione di Amanda che dice a Bert come modificare il suo fotone, senza alcuna indicazione sullo stato del fotone C. In uno dei quattro casi, la misura effettuata da Amanda e' fortunata ed il fotone di Bert diventa immediatamente una replica esatta del fotone originale C. In questo caso puo' sembrare che l'informazione viaggi istantaneamente da Amanda a Bert, infrangendo il limite imposto da Einstein. In verita', Bert non ha alcun modo di sapere che il suo fotone e' gia' una replica dell'originale. Solo quando egli apprende il risultato della misurazione dello stato di Bell, effettuata da Amanda ed a lui trasmessa per via classica, egli puo' sfruttare l'informazione nello stato quantico teletrasportato.

ALCUNE CONSIDERAZIONI

Siamo ancora lontani dal Teletrasporto di un oggetto di grandi dimensioni. I problemi fondamentali sono due:

• occorrono due oggetti dello stesso tipo accoppiati;

• l'oggetto da teletrasportare e la coppia devono essere sufficientemente isolati dall'ambiente. Se una qualunque informazione viene scambiata con l'ambiente, mediante un'interazione fortuita, lo stato quantico dell'oggetto si degrada in un processo chiamato “decoerenza”.

E' difficile immaginare come si possa raggiungere un assoluto isolamento per un corpo di dimensioni macroscopiche, per non parlare di un essere vivente che respira aria e scambia calore con l'esterno. Ma chi puo' prevedere gli sviluppi futuri?

La tecnologia per teletrasportare gli stati di singoli atomi e' oggi alla nostra portata, come ha dimostrato il gruppo guidato da Serge Haroche dell'Ecole Normale Supèrieure di Parigi, realizzando l'accoppiamento di atomi.

TELETRASPORTO QUANTISTICO: APPLICAZIONI

La comunicazione tra stati quantici entangled e' stata dimostrata negli ultimi decenni per alcune particelle come: fotoni ed atomi. In linea teorica, oltre a fornire le basi per reti di comunicazione quantistiche, questa tecnologia potrebbe integrarsi con un altro settore di ricerca, quello dei computers quantistici, estremamente potenti e piu' veloci degli attuali computers. Questi nuovi sistemi di comunicazione garantirebbero scambi di informazioni sicure al 100%; difatti, fra la stazione di invio e la stazione di ricezione, l'informazione viene teletrasportata sotto forma di stato quantico, mentre cio' che viene scambiato e' semplicemente un segnale classico; questo non permetterebbe ad un estraneo, in grado di intercettare il segnale, di risalire all'informazione.

QUBIT E COMPUTERS QUANTISTICI

L'unita' di informazione classica e' il BIT (binary digit). L'unita' di informazione quantistica e' il QUBIT o bit quantistico (quantum binary digit).

I BIT operano su codice binario e possono codificare solo un valore alla volta: 0 o 1.

I QUBIT basano l'elaborazione dell'informazione sulle leggi della Meccanica Quantistica e, per il principio della sovrapposizione quantistica, ovvero per l'idea che un oggetto puo' esistere allo stesso tempo in piu' stati, possono assumere contemporaneamente lo stato 0 e 1.

In un sistema classico un bit di informazione puo' essere rappresentato, per esempio, dalla tensione applicata alle armature di un condensatore: il condensatore carico denota il bit 1 e quello non carico il bit 0.

Quantisticamente, un bit d'informazione puo' essere codificato usando un sistema a due livelli, come per esempio: gli stati di spin di un elettrone oppure le due polarizzazioni della luce.

COS'E' UN COMPUTER QUANTISTICO?

Un computer quantistico registra le proprie informazioni nei QUBIT, a differenza di un computer classico che salva le informazioni nei BIT.

Un QUBIT, nel momento in cui l'informazione viene processata, assume valore “0 o 1” e, per questo motivo, non puo' contenere piu' informazione di un BIT classico. Percio', un computer quantistico, a livello di informazione immagazzinata, non presenta vantaggi rispetto agli attuali computers.

Il vantaggio di un computer quantistico consiste in un aumento esponenziale della capacita' di calcolo. I computers quantistici sono dunque in grado di gestire, in pochissimi minuti, enormi flussi di dati. Una tra le diverse difficolta' tecnologiche che riguarda la realizzazione di un computer quantistico e' la “decoerenza”. In altri termini, l'inevitabile interazione con l'ambiente esterno distruggerebbe, in tempi brevissimi, la coerenza quantistica, cioe' l'informazione contenuta nel calcolatore quantistico.

TELETRASPORTO QUANTISTICO: ALCUNE TAPPE

I primi esperimenti di Teletrasporto Quantistico sono stati effettuati tra il 1993 ed il 1997 da due gruppi di ricerca internazionali diretti rispettivamente da Francesco De Martini dell'Universita' La Sapienza di Roma e da Anton Zeilinger dell'Istituto di Fisica Sperimentale di Vienna. Essi riuscirono a teletrasportare lo stato quantico di un fotone.

Nel 2004:

• De Martini riusci' ad effettuare un teletrasporto di fotoni da una parte all'altra del Danubio, ricoprendo una distanza di 600 metri.

• Due gruppi di scienziati, uno del National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti ed uno della Universita' di Innsbruck in Austria, riuscirono per la prima volta a teletrasportare alcune proprieta' degli atomi. Gli Americani lavorarono con atomi di berillio, mentre gli Austriaci utilizzarono atomi di calcio.

Nel 2006:

Alcuni ricercatori dell'Istituto Niels Bohr di Copenhagen teletrasportarono uno stato collettivo da un gruppo di circa un trilione di atomi ad un altro. Il teletrasporto applicato agli atomi, cioe' alla materia, e' una tecnica molto fragile rispetto a quella che viene applicata ai fotoni, a causa del processo di decoerenza che, per colpa delle interazioni con l'ambiente, distrugge gli effetti quantistici, entanglement compreso.

Nel 2010:

In Cina, i ricercatori dell'Hefei National Laboratory for Physical Sciences raggiunsero 16 km nel teletrasporto di fotoni senza l'aiuto di fibre ottiche.

Nel 2012:

• Un gruppo di ricercatori riusci' a teletrasportare l'informazione relativa ad un complesso sistema di circa 100 milioni di atomi di rubidio che aveva una grandezza di circa un millimetro.

  Lo studio fu condotto da Jian-Wei Pan dell'Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, a cui collaboro' un gruppo di ricercatori della University of Science and Technology (China) e dell'Universita' di Heidelberg (Germany).

  Per il teletrasporto gli scienziati prepararono in laboratorio una coppia entangled di granelli di rubidio. I granelli entangled furono posti a circa mezzo metro di distanza ed i due sistemi furono poi messi in collegamento da una fibra ottica, lunga circa 150 metri ed arrotolata su se' stessa. Prima del processo di teletrasporto quantistico gli scienziati mapparono lo stato di eccitazione degli atomi di rubidio in un fotone, che doveva viaggiare lungo la fibra ottica. Fu possibile realizzare il teletrasporto facendo interagire il fotone “messaggero” con un altro fotone e con il secondo sistema di atomi.

• Il team di ricercatori della University of Science and Technology of China di Shanghai, riusci' a teletrasportare piu' di 1100 fotoni in 4 ore, ricoprendo una distanza di 97 km di spazio libero, stabilendo cosi' un nuovo record e superando la distanza di 16 km raggiunta nel precedente esperimento del 2010.

• Il team di ricerca dell'Optical Ground Station dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) alle Canarie stabili' un nuovo record mondiale di distanza nel teletrasporto quantistico, riproducendo le caratteristiche di una particella di luce alla distanza di 143 km (tra il Jacobus Kapteyn Telescope di La Palma e la Stazione ottica dell'Esa di Tenerife).

Nel 2013:

Un gruppo di fisici del centro di ricerca Quantop al Niels Bohr Institute della University of Copenhagen riusci' a teletrasportare informazioni tra due nubi di atomi di gas di cesio poste ad una distanza di mezzo metro. Il teletrasporto di informazioni da una nube all'altra e' avvenuto per mezzo di luce laser, ciascuna nube e' stata posta in un contenitore di vetro ed i due contenitori non sono stati in alcun modo collegati.

Nel 2014:

Un gruppo di fisici presso l'Universita' di Ginevra (UNIGE) riusci' a teletrasportare, utilizzando una fibra ottica, lo stato quantico di un fotone in un cristallo (funzionante da banco di memoria), posto a 25 km di distanza, superando cosi' il precedente record di 6 km, ottenuto dallo stesso team 10 anni prima. Con questo esperimento, lo stato quantico di un fotone e' stato praticamente trasferito nella materia.

Nel 2016:

• Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Universita' di Calgary, in Canada, e' riuscito a dimostrare per la prima volta l'entanglement di fotoni su reti urbane in fibra ottica, teletrasportando i loro stati quantistici per sei chilometri.

Questo studio canadese ha dimostrato che il teletrasporto di informazioni quantistiche e' tecnicamente possibile su una rete urbana; cio' rappresenta un primo passo verso Internet del futuro, quando i computers baseranno la loro capacita' di calcolo sulle diverse configurazioni degli stati quantistici degli atomi e potranno comunicare attraverso l'Entanglement.

• Il 16 agosto 2016, la Cina ha lanciato, dalla Jiuquan Satellite Launch Center nel deserto dei Gobi, “Micius”, il primo satellite quantistico. Uno dei compiti del satellite e' quello di verificare l'entanglement quantistico di due fotoni in due punti distanti 1200 km. La missione principale di Micius pero' e' quella di stabilire un canale di comunicazione a prova di hacker tra la Cina e l'Europa (su 7400 km).

  Per saperne di piu' leggi l'articolo: L'entanglement va nello spazio

Per approfondire: