Entanglement e teletrasporto

Non facciamoci idee strane: il teletrasporto non è come ce lo ha descritto la fiction. Nessuno è mai riuscito a fare come Seth Brundle ne “La Mosca” o Emory Erickson in “Star Trek”, smaterializzando un oggetto in un posto e facendolo riapparire altrove. Ma vale lo stesso per l’informazione?

Abbiamo già parlato, in termini non troppo convenzionali, di un fenomeno chiamato entanglement quantistico, parola inglese coniata da Erwin Schrödinger che significa, letteralmente, “groviglio”. A livello microscopico, si dice che ogni particella ha un proprio stato quantico, che descrive in forma matematica tutto ciò che di essa può essere misurato (energia, carica elettrica, spin e via dicendo). È possibile, però, che due particelle interagiscano e si influenzino in modo tale che il sistema da esse formato possa essere unicamente descritto tramite un solo stato quantico “globale” e non come insieme degli stati quantici delle singole particelle. Tale sistema si dice entangled. In questo sistema, lo stato fisico di ciascuna particella sarà legato indissolubilmente a quello delle altre, anche qualora dovessero trovarsi a grandi distanze.

Supponiamo di riuscire a creare un sistema fisico entangled di due particelle in cui la carica elettrica totale è zero, e di separare successivamente le due particelle. Poiché la carica totale deve conservarsi, essa dovrà rimanere zero. Tuttavia, secondo le leggi della meccanica quantistica, fino a che non si effettua una misura, le due particelle non avranno una carica definita, ma il loro stato rimane in una sovrapposizione di stati: “carica positiva” (che indicheremo con +1) e “carica negativa” (-1). È all’atto della misura che la carica elettrica assume un valore definito; si dice che la particella  “collassa” nello stato quantico associato a quel valore. Se, pertanto, misurando la carica di una particella, troviamo che essa vale, per esempio, +1, possiamo essere certi che la carica della seconda particella in quel momento è diventata -1. Lo stesso vale per altre grandezze fisiche: misurare lo stato quantico di una particella permette di modificare istantaneamente quello della particella entangled.

In altre parole, ciò che succede alla prima particella influenza istantaneamente la seconda; questo sembra creare un paradosso (noto ai fisici come paradosso Einstein-Podolsky-Rose) in quanto una trasmissione di informazioni a velocità infinita violerebbe il limite relativistico secondo cui nulla, né la materia né l’informazione, può viaggiare a velocità superiori a quella della luce (circa 300000 km/s). Tuttavia, anche se l’azione a distanza è effettivamente istantanea, non si può parlare di vera e propria comunicazione dato che chi effettua la misura non sa, né può determinare in quale stato quantico andrà a collassare la sua particella e quindi non può decidere di fatto quali informazioni inviare.

Quello che si può fare, però, è comunque molto interessante. Un sistema quantistico entangled combinato con un sistema “classico” può permettere la trasmissione di unità di informazioni quantistiche (dette qubit) a grande distanza tra particelle che non hanno mai interagito tra di loro, e soprattutto senza che questa informazione debba effettivamente percorrere la distanza tra una posizione e l’altra: si smaterializzerebbe nel luogo di partenza per rimaterializzarsi nel luogo di arrivo.

Le conseguenze sarebbero importanti soprattutto per l’informatica e le telecomunicazioni. Con opportuni accorgimenti, l’entanglement permette la trasmissione di una chiave segreta totalmente casuale da utilizzare per decifrare un messaggio inviato tramite sistemi “classici” (come le onde radio o le fibre ottiche). Poiché un’interazione lungo il tragitto andrebbe a compromettere l’entanglement, un’eventuale intercettazione sarebbe facilmente rilevata. Un simile sistema migliorerebbe notevolmente la sicurezza e la confidenzialità dei dati trasmessi.

Vi sono stati alcuni esperimenti promettenti negli ultimi anni. In uno di questi, il fisico austriaco Anton Zeiliger, esperto di informatica quantistica, ha fatto uso di un meccanismo chiamato entanglement swapping (scambio di entanglement) messo a punto con i fotoni da un gruppo di Ginevra guidato da Matthaus Hälder nel 2007. Tale meccanismo prevede un entanglement tra più di due particelle. Si prendano due coppie di particelle, chiamate A-A’ e B-B’, emesse da sorgenti indipendenti, ciascuna delle quali forma un sistema entangled. Se si esegue una particolare misurazione congiunta dei fotoni A’ e B’ in modo da renderli entangled, allora anche i fotoni A e B, che pure non hanno mai interagito, diventeranno entangled, e i loro stati fisici saranno correlati. Perché questo funzioni, i fotoni così creati non devono interagire con nulla durante il loro tragitto, poiché questo altererebbe il loro stato e falserebbe le misure.

Schema dell’entanglement swapping. Fonte wikimedia commons

Schema dell’entanglement swapping. Fonte wikimedia commons

Quello che il team di Zeiliger ha misurato è la polarizzazione, cioè la direzione del campo elettromagnetico durante la propagazione del fotone, e ha constatato proprio che i valori della polarizzazione risultavano correlati anche nei due fotoni che non avevano mai interagito tra di loro. Tali fotoni si trovavano uno sull’isola di Tenerife e l’altro sull’isola di La Palma, nelle Canarie, a 143 km di distanza, e finora si tratta della distanza più lunga raggiunta col “teletrasporto” quantistico.

Rappresentazione schematica del momenti angolare orbitale di un fotone. Fonte wikipedia

Rappresentazione schematica del momenti angolare orbitale di un fotone. Fonte wikipedia

In un altro esperimento, Zeiliger si è concentrato su un’altra grandezza fisica, il momento angolare orbitale dei fotoni, che misura il modo in cui essi “spiraleggiano” attorno alla loro direzione di propagazione. Questa grandezza è interessante perché può assumere un intervallo di valori più ampio rispetto alla polarizzazione, e quindi può trasmettere informazioni tramite un alfabeto più ricco; purtroppo allo stesso tempo la sua propagazione è influenzata dalla turbolenza atmosferica (che tende ad alterare lo stato dei fotoni prima che venga effettuata la misura) molto più della polarizzazione. Zeiliger ha aggirato questo inconveniente creando un entanglement tra la polarizzazione di un fotone e il momento angolare orbitale di un secondo fotone. I due fotoni sono stati misurati in due diversi centri di ricerca a Vienna, separati da 3 km di aria turbolenta, ed è stata confermata la correlazione tra le quantità osservate.

Le sfide tecnologiche non sono trascurabili; non è banale creare un entanglement tra due particelle, e le misurazioni vanno effettuate con apparecchiature estremamente sofisticate e in condizioni particolari per limitare il rumore termico, quindi le applicazioni tecnologiche non saranno senz’altro immediate. Tuttavia, si tratta di restrizioni puramente tecniche; è importante, oltre ad aver testato le fondamenta della teoria quantistica, anche aver posto le basi per poter concretamente parlare, in futuro, di network e cloud quantistici in grado di mettere a frutto le enormi potenzialità dell’informatica quantistica.

 

(Per approfondire l’argomento meccanica quantistica e entanglement, consigliamo di dare un’occhiata qui e qui. Una descrizione dell’apparato usato per teletrasportare i fotoni entangled tra le isole di Tenerife e La Palma si trova in questa pagina.)

Immagine di copertina da Flickr

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Author: Silvia Kuna Ballero

Astrofisica convertita all’insegnamento, appassionata di comunicazione, percezione ed etica della scienza. La sua sfida preferita è rendere accessibile a qualunque pubblico gli argomenti più ostici di matematica, fisica, astronomia e cosmologia.

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