Un network di comunicazione quantistica nello spazio

File:STS-134 International Space Station after undocking.jpg

La Stazione Spaziale Internazionale fotografata dopo la separazione dello Space Shuttle Endeavour nel corso della missione STS-134. (Credit: ESA).

AUSTRIA – Albert Einstein descriveva l’entanglement come un’azione spettrale a distanza; non rassegnandosi ad abbandonare la concezione classica di causalità, il padre della relatività fu per tutta la vita preoccupato dell’indeterminismo che vige nel microcosmo. Con entanglement o correlazione quantistica si intende un fenomeno, privo di qualunque analogo classico, grazie al quale non è possibile definire una singola particella come tale e come dotata di uno stato preciso; l’unica cosa che si può fare è descriverla nel sistema in cui si trova.

Fino ad oggi gli esperimenti sui tipi di correlazione tra particelle si sono limitati a piccole distanze sulla Terra. In un nuovo studio comparso sul New Journal of Physics, i ricercatori hanno proposto di utilizzare la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) per testare i limiti di questa “azione spettrale” e contribuire a sviluppare la prima rete di comunicazione quantistica globale. È infatti possibile sfruttare la particolare natura dei fotoni per trasmettere informazioni decifrabili sono dal mittente e dal destinatario. Dato che le informazioni codificate nei fotoni possono essere trasmesse in (completa?) sicurezza, i motivi dell’interesse suscitato da parte di governi, enti di ricerca e multinazionali è più che comprensibile. Il progetto presentato nello studio consiste nell’inviare una chiave di cifratura segreta a distanze maggiori di quelle raggiunte dalle fibre ottiche sulla Terra.  Dal punto di vista teorico, la possibilità di condurre un esperimento del genere si fonda sul noto test di John Stewart Bell in grado di evidenziare le contraddizioni tra la fisica classica e le previsioni della fisica quantistica.

Il teorema o diseguaglianza di Bell. Nel 1964 John S. Bell ha sottoposto a un test sperimentale la correttezza la compatibilità della fisica quantistica con le teorie che ammettono variabili nascoste. La disuguaglianza di Bell può riassumersi come segue: qualsiasi teoria locale, che assume che determinate coppie di particelle correlate inviate verso rivelatori lontani abbiano proprietà definite anche prima di osservate, non può riprodurre la distribuzione probabilistica prevista dalla fisica quantistica quando si considerino non solo misure simmetriche/opposte ma anche i test su posizioni intermedie.

Facciamo un esempio: immaginiamo un gas che emette luce quando viene eccitato elettricamente. Gli atomi eccitati del gas emettono fotoni a coppie correlate che si dirigono in direzioni opposte. L’unica differenza riscontrabile nella coppia di fotoni è la direzione: per il resto abbiamo a che fare con gemelli identici. Se decidessimo di polarizzare verticalmente il primo, anche l’altro subirebbe la stessa azione, e questo indipendentemente dall’angolo di polarizzazione. Cosa significa? Che è sufficiente conoscere il comportamento (in questo caso lo stato di polarizzazione) di una particella per avere tutte le informazioni che ci servono anche sull’altra.

Fotoni entangled verso la ISS. Questa breve descrizione di un tipo di entanglement mostra che, anche quando sono divisi da vaste distanze, i fotoni entangled sono intimamente connessi; al punto che una misura effettuata su uno dei due determina l’esito della misura sull’altro. L’esperimento che utilizza la ISS ha permesso di vedere questa connessione ad una distanza di 500 km (distanza notevole, se si considera che fino a oggi sulla Terra è stato possibile coprire distanze di poche centinaia di km). “Nel corso di pochi mesi l’anno, la ISS passa 5-6 volte di fila nella direzione ottimale per i nostri esperimenti. Prevediamo di iniziare l’esperimento per una settimana intera e quindi avere più di sufficienti collegamenti verso la ISS a disposizione”, ha detto il co-autore dello studio, il prof. Rupert Ursin dell’Accademia austriaca delle Scienze.

Come mettere in contatto i fotoni entangled sulla Terra con quelli sulla ISS? L’unica attrezzatura necessaria a bordo della ISS consiste in un modulo di rilevazione dei fotoni agganciato ad una  lente (Nikon 400 millimetri) posta di fronte a una finestra di 70 cm nella cupola del modulo. Seguendo lo schema dell’esperimento di John S. Bell, una coppia di fotoni entangled vengono generati sulla Terra: uno viene lanciato verso la fotocamera a bordo della ISS, mentre l’altro viene misurato a terra per effettuare un successivo confronto. Il prof. Rupert Ursin ritiene che, a breve, sarà possibile testare i potenziali effetti dell’entanglement sulla gravità. I gruppi di ricerca di tutto il mondo stanno cercando di costruire satelliti quantistici che agiranno come relè tra le due fonti di emissione dei fotoni, aumentando in modo significativo la distanza che potrebbe percorrere  la nostra chiave crittografica indecifrabile. (Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 10/04/2013).

Paper di riferimento:

T. Scheidl et alii, Quantum optics experiments to the International Space Station ISS: a proposal, in “New Journal of Physics”, 15, 2013, 043008. DOI: iopscience.iop.org/1367-2630/15/4/043008/article.

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