Teletrasporto quantistico 'on demand'

Set-up dell’esperimento. (Credit: Nature 500, 315–318 (15 August 2013) doi:10.1038/nature12366).

Dopo circa 15 anni dai primi esperimenti nel campo dell’ottica quantistica, un gruppo di ricercatori di Tokio e Magonza è riuscito ad eseguire un esperimento di teletrasporto quantistico tra qubit in modo estremamente efficiente. I risultati dei test sono stati pubblicati sulla Nature in un articolo che si intitola Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique (DOI: 10.1038/nature12366). Il successo dell’esperimento dipende in larga parte dall’uso di una tecnologia ibrida in cui si combinano due approcci in linea di principio incompatibili.

“Nel campo dell’ottica digitale, l’informazione quantistica discreta può ora essere trasmessa in modo continuo, come se si schiacciasse un pulsante, se e quando si vuole”, ha spiegato il professor Peter van Loock del Johannes Gutenberg di Magonza (JGU). Come fisico teorico, Peter van Loock ha collaborato con il gruppo di ricerca guidato dal professor Akira Furusawa dell’Università di Tokyo su come si potrebbero svolgere in modo più efficiente gli esperimenti di teletrasporto quantistico. I primi tentativi di teletrasportare singoli fotoni o particelle di luce fanno capo al fisico austriaco Anton Zeilinger. Vari altri esperimenti relativi sono stati eseguiti nel frattempo. Tuttavia, il teletrasporto di bit quantistici fotonici con metodi convenzionali hanno dimostrato di avere seri limiti a causa di carenze sperimentali e difficoltà teoriche.

Come funziona in generale la trasmissione dell’informazione quantistica? Prendiamo due poli, uno di emissione (che chiamiamo Alice) e l’altro di ricezione (che chiamiamo Bob). Il teletrasporto è definito come trasferimento arbitrario di informazione: ciò implica che inizialmente Alice e Bob condividano uno stato entangled – ad esempio sotto forma di fotoni. essendo dei vettori ideali, i fotoni vengono spesso usati nei test per la comunicazione quantistica soprattutto grazie ad una loro peculiarità: possono trasmettere segnali alla velocità della luce, veri e propri qubit volanti che potranno avere un ruolo importante per l’elaborazione dell’informazione quantistica dai computer quantistici e la comunicazione quantistica tout courtLa trasmissione dell’informazione quantistica viene effettuata mediante i fotoni: normalmente ciascun fotone trasporta l’equivalente quantistico di un singolo bit d’informazione – noto come qubit – che può valere “zero” o “uno” oppure trovarsi in un particolare stato quantistico che sovrappone i due valori. Risulta anche possibile usare una tecnica in cui un singolo fotone trasporti più di un qubit alla volta. Come è possibile? Grazie allo sfruttamento di diverse proprietà fisiche della luce (la polarizzazione, la lunghezza d’onda, o il profilo dell’onda, ad esempio). Per fare questo, i fotoni che trasportano più qubit simultaneamente vengono generati direttamente in questo stato.

Ciò che rende l’esperimento di Tokyo diverso dai precedenti è, come accennato, l’uso di una tecnica ibrida che coinvolge più fotoni, in modo da raggiungere una precisione nel trasferimento di qubits fotonici tra il 79 e l’82% per quattro diversi qubit. In questo esperimento l’entanglement continuo è stato ottenuto grazie all’aggrovigliamento tra gruppi di fotoni. “L’entanglement dei fotoni ha funzionato molto bene per l’esperimento di Tokyo; con la semplice pressione di un pulsante, il laser è stato attivato”, ha spiegato Peter van Loock. Infine, la squeezed light è stata determinante per raggiungere uno stato di entanglement continuo; questa luce, che assume la forma di un’ellisse nello spazio delle fasi del campo di luce, genera un terzo campo di luce che può essere connesso ad un trasmettitore non appena l’entanglement è stato raggiunto. Da quel momento in poi, almeno in teoria, qualsiasi stato e qualsiasi numero di stati possono essere trasmessi al ricevitore.

“Per essere precisi, nel nostro esperimento, c’erano quattro stati sufficientemente rappresentativi che sono stati trasferiti da Alice a Bob usando l’entanglement. Grazie all’entanglement continuo è stato possibile trasmettere i qubit fotonici in modo deterministico a Bob. Finalmente i due mondi separati, il discreto e il continuo, stanno cominciando a convergere”, ha concluso Peter van Loock. (Fonte: http://phys.org/news/2013-08-quantum-teleportation-bits-button.html. Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 18/08/2013).

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