Un team di ricercatori ha realizzato il trasferimento quantistico su un sistema atomico della grandezza di un millimetro. Il nuovo risultato sarà fondamentale per gli elaboratori che verranno.
SE SI PENSA al teletrasporto, la prima cosa che viene in mente è la serie di Star Trek. Le avventure del capitano Kirk sono però molto lontane nel futuro, ed un sistema di teletrasporto come quello dell’Enterprise resta ancora nel mondo della fantascienza. Ma esiste un sistema alternativo, che sfrutta le leggi della Meccanica Quantistica e permette di “teletrasportare” piccole quantità di informazioni.
Passo dopo passo, gli scienziati stanno imparando ad applicare questo teletrasporto quantistico a sistemi fisici sempre più complessi. L’ultima novità in questo campo arriva da un team coordinato da Jian-Wei Pan del Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale , della University of Science and Technology of China e dell’Università di Heidelberg. Il gruppo di ricercatori ha infatti applicato per la prima volta il teletrasporto quantistico a un gruppo di 100 milioni di atomi di rubidio.
La ricerca, pubblicata sui Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), è il primo successo nel teletrasporto quantistico di oggetti macroscopici. Oltre a far felici gli appassionati di fantascienza, questo nuovo risultato potrebbe avere un ruolo chiave nello sviluppo dei futuri computer basati sul calcolo quantistico.
Informazioni quantistiche. Prima di tutto bisogna specificare che l’esperimento quantistico condotto da Pan e colleghi è ben diverso dai sistemi di teletrasporto a cui ci ha abituato la fantascienza. In questo caso infatti non viene trasportato un intero sistema fisico, ad esempio scomponendolo e ricomponendolo in un’altra parte dello spazio. Nel teletrasporto quantistico viene trasportata una piccola quantità di informazione sullo stato quantistico di un sistema fisico, ad esempio sugli stati di eccitazione dei suoi atomi. Dal momento che questo sistema si basa sulle leggi della Meccanica Quantistica, l’informazione non viene rappresentata dai comuni bit usati nei dispositivi elettronici classici. In questo caso si sfrutta il qbit, che in sostanza è il “cugino” quantistico del bit.
A differenza dei bit classici, che possono assumere i due stati binari 0 e 1, i qbit possono assumere molti più valori, dovuti alla sovrapposizione quantistica degli stati 0 e 1. E’ proprio questa la principale differenza fra i computer odierni e quelli futuri computer basati sul calcolo quantistico. Per elaborare le informazioni infatti, i secondi sfruttano le leggi della Meccanica Quantistica, come la sovrapposizione e la correlazione di stati quantistici, permettendo così una velocità di calcolo molto maggiore. Il teletrasporto di qbit realizzato in questo è quindi una versione quantistica del trasferimento di dati fra due unità di memoria.
Grovigli di quanti. Questa forma di teletrasporto è infatti resa possibile dai fenomeni descritti dalla Meccanica Quantistica, fra cui il cosiddetto entanglement. L’entanglement, che in italiano si potrebbe tradurre con “groviglio”, si verifica quando due particelle, ad esempio due elettroni, si trovano ad interagire e vengono successivamente separate. Questo “incontro ravvicinato” contribuisce a creare una correlazione fra gli stati quantistici delle due particelle, ovvero il loro “comportamento”. Di conseguenza, misurando le caratteristiche della prima particella è possibile risalire, anche se con un certo grado di incertezza, allo stato della seconda particella. La cosa sorprendente dell’entanglement, che non ha alcun corrispettivo nella fisica classica, è che in questo modo è possibile “prevedere” lo stato quantistico di una particella anche se essa si trova molto lontana. Apparentemente si tratterebbe di una azione istantanea, in contraddizione con i principi della Relatività. Infatti, ogni interazione fra due corpi richiede un certo tempo, dovuto alla propagazione della velocità della luce, che viaggia a velocità finita. Questo paradosso, già osservato nel 1935 da Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, non crea però davvero problemi ai fondamenti della Relatività. Infatti, anche usando l’entanglement, non è possibile trasportare istantaneamente informazioni.
Teletrasporto di quanti. In questo nuovo esperimento di teletrasporto quantistico infatti, l’entanglement viene sfruttato per codificare e decodificare un qbit. I ricercatori hanno infatti teletrasportato l’informazione relativa ad un complesso sistema di circa 100 milioni di atomi di rubidio grande circa 1 millimetro. Considerando che esperimenti simili in passato erano stati condotti su singole particelle o su ioni, questo risultato rappresenta un passo avanti estremamente importante. In laboratorio gli scienziati hanno preparato una coppia entangled, cioè correlata, di questo granello di rubidio, e li hanno posti a circa mezzo metro di distanza. I due sistemi sono stati poi connessi da una fibra ottica lunga circa 150 metri arrotolata su sé stessa.
Nella prima fase del teletrasporto quantistico, gli scienziati hanno mappato lo stato di eccitazione degli atomi di rubidio in un fotone, cioè un “pacchetto” di luce, che ha viaggiato lungo la fibra ottica. Dall’interazione del fotone “messaggero” con un altro fotone e con il secondo sistema di atomi, è stato possibile così trasportare il qbit al secondo sistema. Gli scienziati hanno valutato che il teletrasporto è avvenuto con successo nell’88% dei casi. Questo processo rappresenterebbe quindi un sistema affidabile per trasportare dati fra due gruppi di atomi che si comportano come delle vere e proprie memorie quantistiche.
Verso i computer quantistici. Il teletrasporto quantistico potrebbe presto avere infatti varie applicazioni nello sviluppo di reti e computer quantistici. I sistemi come gli atomi di rubidio potrebbero infatti comportarsi come memorie quantistiche, come ricorda lo stesso Pan: “Da un punto di vista più pratico, il teletrasporto fra nodi di memoria quantistica potrebbe essere un modulo nelle future reti quantistiche per scambiare e trasferire informazioni. Un esperimento simile è stato condotto con singoli ioni. Il nostro esperimento, tuttavia presenta un tasso successo molto più alto”. Dovremo quindi aspettare ancora un po’ per costruire un teletrasporto in stile Star Trek, ma grazie ai fenomeni quantistici almeno i computer dell’Enterprise potrebbero essere davvero dietro l’angolo.
di MASSIMILIANO RAZZANO
Fonte: http://www.repubblica.it
