Particelle, qubit di materia ed energia senza limiti nel teletrasporto

(Credit: wikipedia.org).

Il teletrasporto quantistico – inteso nel senso di spostamento istantaneo da un punto all’altro senza attraversare la regione di spazio tra i due punti – è una procedura standard in qualsiasi laboratorio di ottica quantistica. Ora, uno studio pubblicato su arXiv pone all’attenzione della comunità scientifica un metodo per teletrasportare oggetti quantistici in modo continuo: fino ad oggi i fisici erano in grado di farlo solo su singole particelle, una alla volta (con una procedura discreta).

Christine Muschik, fisico al Mediterranean Technology Park di Barcellona, presenta con queste parole la sua ricerca: “abbiamo mostrato come la capacità di compiere operazioni quantistiche in modo continuo e deterministico possa essere sfruttata per indurre dinamiche non locali tra due regioni separate. Che non si tratti di un’affermazione di poco conto lo testimoniano i termini usati: “continuo”, “deterministico”, dinamiche “non locali”. Vediamo cosa comporta tutto ciò – ovviamente solo sul piano teorico. L’esperimento condotto dal team di Barcellona è una semplice estensione del set up tradizionale che sfrutta l’entanglement: due particelle così intimamente legate da essere come una. In termini matematici questo significa che entrambe sono descritte dalla stessa funzione d’onda; questo spiega come mai ogni manipolazione su una delle due influenza automaticamente e istantaneamente l’altra, indipendentemente dalla distanza che le separa.

Siano A e B le due fotoni entlanged. Il teletrasporto avviene quando A interagisce con una terza particella Z modificando istantaneamente B. Il trucco sta nel preparare tale interazione in modo tale che B finisca nello stesso stato di Z, di modo che nessuna misura potrà distinguere B da Z. Se questo accade, allora Z è stata teletrasportata. La tecnica di Christine Muschik non è molto diversa. L’innovazione consiste nel calare in un campo magnetico variabile una delle due particelle entangled, mossa che rende possibile manipolarne lo stato in modo continuo. Ma agire su una delle due significa agire su entrambe. Cosa si è ottenuto? Il campo magnetico applicato in una regione di spazio provoca un cambiamento istantaneo in un’altra regione di spazio (ad una distanza arbitraria). Ecco come sono state ottenute le “dinamiche non locali tra due regioni separate”. L’entanglement è notoriamente un meccanismo fragile, se non altro perché ogni osservazione o misura effettuata su una delle due particelle ne distrugge irreversibilmente il collegamento: ciò nonostante, soprattutto negli ultimi anni, i fisici hanno fatto grandi progressi nello sviluppo di tecniche di manipolazione “non distruttiva” delle particelle. Una di queste, che consente di manipolare lo stato poco alla volta ma in modo continuo, consiste nell’uso di un campo magnetico variabile che produce un cambio significativo nell’intero sistema. La tecnica del team coordinato da Christine Muschik resta ancora teorica: non ci resta che attendere il tribunale degli esperimenti.

Nella maggior parte degli esperimenti sul teletrasporto quantistico tra qubit remoti, gli atomi si dispongono liberamente nello spazio. In un nuovo studio gli scienziati hanno scoperto che, intrappolando gli atomi in cavità ottiche, è possibile superare alcuni degli ostacoli che si incontravano in esperimenti di questo tipo. La costruzione di questa “trappola” consente un miglioramento in termini di  efficienza di quasi 5 ordini di grandezza e di effettuare il teletrasporto a una distanza di 21 metri, un record per gli standard attuali. I risultati della ricerca, coordinata da Christian Nölleke dell’Instutute for Quantum Optics di Garching, sono stati pubblicati nella rivista Physical Review Letters. “Il più grande significato del nostro lavoro è il significativo aumento nell’efficienza rispetto alle realizzazioni precedenti del teletrasporto materia-materia. Inoltre, è la prima dimostrazione della teletrasporto materia-materia tra i sistemi veramente indipendenti e costituisce il record corrente a una distanza di 21 m. Il record precedente era di 1 m”, ha commentato Christian Nölleke.

Contesto sperimentale del teletrasporto tra memorie quantistiche ad atomo singolo. Gli atomi singoli (le sfere di colore grigio A e B) sono intrappolati in particolari cavità ottiche (i coni blu) separati da una distanza di 21 metri. (a) l’Entanglement è generato tra l’atomo B ed un fotone collegato, C. (b) Il qubit atomico al nodo A è mappato su un qubit fotonico A ed una misurazione dello stato di Bell tra i due fotoni viene poi eseguita. (c) Rilevamento di un evento di teletrasporto avvenuto con successo tra i due nodi. (Credit: Christian Nolleke, et al @ 2013 American Phsycial Society).

Nel teletrasporto quantistico l’informazione viene trasmessa da un nodo all’altro del sistema senza che i qubit attraversino fisicamente lo spazio che li separa. In generale il teletrasporto può essere realizzato con qubit fotonici o con qubit di materia (di solito di fosforo e silicio). Nel 2012 è stato raggiunto il record nel teletrasporto di qubit fotonici coprendo una distanza di 143 km. Per quanto riguarda invece i qubit di materia, risulta più difficile raggiungere lunghe distanze per due motivi: è necessaria una forte interazione tra luce e materia ed è indispensabile implementare al massimo la memoria quantistica.

Il teletrasporto tra qubit di materia. In un precedente esperimento gli scienziati hanno effettuato questo tipo di teletrasporto senza una forte interazione luce-materia raggiungendo una distanza di solo 1 m; questo approccio impedisce un’applicazione in scala a grandi distanze a causa della dispersione dei fotoni nello spazio – più precisamente nel mezzo. Nel nuovo studio la “trappola ottica” ha aggirato questo ostacolo aumentando l’efficienza di raccolta dei fotoni e l’interazione tra atomi e fotoni. Il risultato è l’aumento del numero di fotoni utilizzabili; infatti, in assenza dell’entanglement atomo-fotone la direzione di emissione dei fotoni è casuale e comporta un’elevata dispersione. Per effettuare la misurazione, durante il teletrasporto, nel primo nodo lo stato di spin del qubit atomico è mappato sulla polarizzazione del qubit fotonico; nel secondo nodo viene generato l’entanglement tra un secondo atomo e un secondo fotone che distrugge i due fotoni e proietta il secondo atomo sullo stato del primo atomo. Questa proiezione teletrasporta il qubit tra atomi. Uno dei maggiori traguardi di questo nuovo schema è che ha una probabilità di successo di circa lo 0.1% – quasi 100.000 volte meglio dei precedenti esperimenti. Come si spiega il miglioramento? A differenza delle precedenti dimostrazioni, l’efficienza non è limitata dall’efficienza di raccolta dei singoli fotoni; al contrario, il fattore limitante ora è il requisito per trasmettere e rilevare due fotoni simultaneamente, che è inerente alle misurazioni nello stato di Bell.

La performance del tipo speciale di misurazione dello stato di Bell (puramente fotonico) è già vicina al limite di quello che è possibile fare con la tecnologia attualmente disponibile (principalmente limitata dall’efficienza della fibra ed i rilevatori). Per aumentare ulteriormente l’efficienza in questo stadio, gli scienziati dovrebbero utilizzare un differente tipo di misurazione dello stato di Bell, basato su porte quantistiche deterministiche. Fortunatamente, l’attuale sistema di cavità ha il potenziale di implementare “facilmente” un simile tipo di misurazione.

L’interazione luce-materia. “I piani futuri prevedono anche di aumentare l’interazione luce-materia utilizzando cavità che ci possano fornire una maggiore forza di accoppiamento atomo-fotone. Questo aumenterebbe l’efficienza del nostro protocollo ancora di più. Altro modo di implementare l’efficienza è implementare un differente tipo delle misurazioni dello stato di Bell”, ha precisato Christian Nölleke. Dato che gli atomi intrappolati nelle cavità ottiche agiscono come memorie quantistiche non-identiche, lo schema potrebbe avere molte applicazioni per la costruzione di future reti quantistiche (si tenga presente che oggi nodi identici sono molto difficili da realizzare. Per grandi reti consistenti di più di due nodi, il tempo necessario per il teletrasporto di uno stato quantistico deve essere minore rispetto al tempo di coerenza negli atomi (che è all’incirca di 1 secondo). “Le applicazioni vanno nella direzione della realizzazione di reti quantistiche e della trasmissione sicura di informazioni usando una distribuzione di chiavi quantistiche su scala globale. Entrambe le applicazioni richiedono il trasferimento di stati quantistici su lunghissime distanze. Come spieghiamo in questa nostra pubblicazione, non esiste alcuna tecnica classica per arrivare a questo. C’è, tuttavia, una chiara strategia basata sui ‘ripetitori quantistici’ (la versione quantistica dei classici ripetitori), e l’utilizzazione di teletrasporto per trasferire stati quantistici su grandi distanze”, ha concluso Christian Nölleke.

Trasferire più qubit alla volta preservando l’entanglement non è più una chimera. Ma due studi pubblicati l’anno scorso su Nature hanno chiarito a che punto le tecnologie quantistiche possono arrivare e, soprattutto, hanno liberato il campo da fraintendimenti e false aspettative. Tranquilli: non è possibile teletrasportare persone dal luogo X al luogo Y facendole scomparire e ricomparire come accade in Star Trek: se considerate che il primo passo per il teletrasporto di una persona è misurare e registrare la posizione, la direzione del moto e l’energia di ogni particella del corpo, solo questo primo step richiederebbe uno spazio di archiviazione dei dati che, probabilmente, non avremmo mai a disposizione. Perché? Solo per farvi capire l’entità dello “spazio” che servirebbe solo sul piano conservativo: avremmo bisogno di circa 1022 gigabyte (1 seguito da 22 zeri) di spazio su disco. Per avere questo spazio dovremmo ammassare una pila di dischi rigidi di circa 20 anni luce di altezza! Proxima Centauri, la stella più vicina alla Terra, è di circa quattro anni luce di distanza… fate un po’ i conti.

Gli scienziati sono ancora alle prese con i fotoni e con i problemi concernenti il teletrasporto delle informazioni che contengono. Il “teletrasporto quantistico” è diventato realtà nel 1997 con un primo esperimento sulle particelle di luce (i fotoni, appunto). Da allora, i fisici non si sono limitati ai fotoni, hanno ad esempio teletrasportato singoli atomi, ma i quanti di luce restano il terreno preferenziale su cui eseguire i test. Come teletrasportare un fotone? Qui il primo problema che si incontra è dato dal principio di indeterminazione di Heisenberg, una pietra miliare della meccanica quantistica, che limita ciò che si può sapere di una particella. Detto semplicemente, per due variabili correlate come posizione e moto, se conosco la prima getto immediatamente indeterminatezza sulla seconda, e viceversa. Per il teletrasporto questo è un problema: se si vuole teletrasportare una particella, è proprio l’informazione che si vuole misurare che deve essere trasmessa. Un fisico chiamerebbe questa informazione lo “stato” della particella. Se non ci è permesso misurare lo stato completo della particella, il teletrasporto sembra impossibile.

Come uscire dall’empasse? Mettiamola così: la chiave per il teletrasporto è non voler sapere troppo. Finché le misurazioni che si effettuano non rivelano la posizione o la velocità, allora si ha una scappatoia che permette di aggirare il principio di indeterminazione. E se fosse possibile disturbare la particella prima di misurarla, in modo da non conoscere il suo stato, e poi estrapolare l’informazione insita nell’atto stesso di disturbarla all’altra estremità per ricreare lo stato originale della particella? Questa è stata l’idea innovativa del fisico americano Charles Bennett nel 1993. La chiave era quello di disturbare la particella che si vuole teletrasportarsi in un modo particolare. Come? Utilizzando una coppia di particelle entangled. Le particelle entangled sono collegate tra loro in modo che se si misura lo stato di una si conosce lo stato dell’altra. Nella descrizione standard di teletrasporto, Alice sta teletrasportando qualcosa a Bob. Alice usa una delle particelle entangled per misurare lo stato della particella in ingresso: registra quello che misura e invia le informazioni a Bob. Bob non può dire quale sia lo stato della particella perché l’intreccio quantistico utilizzato nella misurazione nasconde la vera natura del suo stato. Quello che Bob può fare, tuttavia, è utilizzare le informazioni di Alice per modificare lo stato dell’altra particella entangled. In questo modo può ricreare l’esatto stato della particella di Alice.

Così funziona il teletrasporto quantistico. I primi esperimenti hanno permesso di teletrasportare più fotoni per più di un metro o poco più all’interno di un laboratorio, mentre di recente si sono raggiunti oltre 143 km nelle Isole Canarie. La natura della comunicazione tra Alice e Bob in questo sistema è piuttosto interessante. Le informazioni che Alice misura e invia a Bob non possono essere utilizzate per ricreare lo stato in ingresso in assenza dell’altra particella entangled. Ciò significa che un intercettatore che chiameremo Eva non può spiare la misura di Alice e di ottenere le informazioni. La coppia entangled è unica, in quanto solo Bob può ricreare lo stato originale. (Almeno in teoria dovrebbe funzionare così, benché di recente la sicurezza della crittografia quantistica sia stata messa in discussione).

I due articoli pubblicati su Nature ci danno informazioni importanti sulla tecnica del teletrasporto. Fino ad ora, il teletrasporto dei fotoni per come lo abbiamo descritto è stato probabilistico perché non si poteva sincronizzare l’arrivo dei fotoni entangled con l’arrivo del fotone da misurare. Quando i fotoni sono allineati, la misurazione dovrebbe funzionare solo metà del tempo. Ciò significa che ogni volta che si cerca di teletrasportare le informazioni, essa funzionerà solo molto occasionalmente – molto meno dell’1% del tempo. In una rete quantistica le probabilità diventeranno estremamente piccole. Ma questi due articoli riferiscono due esperimenti in cui il teletrasporto non sembra più governato da regole probabilistiche bensì deterministiche: in linea di principio, si può effettuare la misura ogni volta che un fotone è pronto per essere teletrasportato.

I due articoli si intitolano (i) Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique e (ii) Deterministic quantum teleportation with feed-forward in a solid state systemNel primo paper (i) un gruppo di ricercatori provenienti da Giappone e Germania dimostra come sia possibile teletrasportare fotoni di luce, che sono nello spettro dell’infrarosso, appena sotto la lunghezza d’onda visibile all’occhio umano. Il secondo paper (ii), invece, un team svizzero-austriaco dimostra il teletrasporto di fotoni con frequenze a microonde comprese tra 4 e 7 GHz. Si stima un 40% di probabilità di successo nel caso del sistema a raggi infrarossi e un 25% nel caso del sistema a microonde: non è ancora sufficiente per dimostrare con certezza l’abbattimento delle interpretazioni probabilistiche. Rispetto al precedente 1% questo è un gran miglioramento. Per ora i nuovi esperimenti rappresentano una pietra miliare sulla lunga strada verso la costruzione di un sistema di informazione quantistica  reale funzionale.

Veniamo all’ultima questione. Un recente studio conferma che è possibile teletrasportare l’energia senza limiti spaziali, virtualmente a distanza illimitata. In che modo? Grazie ad una teoria che si serve di ‘luce spremuta’ (squeezed light). Questo tipo di teletrasporto è stato da poco teorizzato in un nuovo protocollo; lo studio è stato condotto da tre scienziati della Tohoku University di Sendai in Giappone: si tratta di Masahiro Hotta,Jiro Matsumoto e Go Yusa. Il paper si intitola Quantum energy teleportation withouth limit of distance ed è stato pubblicato su Physical Review A (per chi fosse interessato è caricato online su ArXiv).

Come si è accennato, il teletrasporto di energia a distanza piuttosto limitata, cioè attraverso “operazioni locali”. Questo avviene perché il valore massimo dell’energia è inversamente proporzionale alla distanza: in pratica, tanto più è alto questo valore e tanto più ristretta deve essere la distanza. Rispetto a questi parametri, i tre ricercatori giapponesi hanno sviluppato un nuovo protocollo teorico per superare questo ostacolo, spingendosi virtualmente a distanze senza limiti.

Diagramma schematico (a) di un protocollo basato su uno stato di vuoto QET (Quantum Energy Teleportation) e (b) di un protocollo basato su uno ‘stato-spremuto’ QET a lunga distanza. (Credit: arxiv.org/abs/1305.3955).

Cerco di spiegarlo semplificando al massimo – i palati fini mi scusino per la brutalità. La luce spremuta è capace di abbattere le barriere tra Alice e Bob, intesi come i due punti cardine del teletrasporto. Questi stati fisici “di vuoto” permettono di teletrasportare l’energia oltre le distanze usuali: come si può vedere nell’immagine qui sopra, lo ‘stato-spremuto’ è indicato dalla freccia e rende possibile muoversi in distanze virtualmente senza limiti. L’ipotesi della QET impone di teletrasportare l’energia sfruttando l’entanglement. Ed oggi la teoria si spinge a distanze senza limiti. Non è affatto improbabile che una teoria QET a lunga distanza possa essere preziosa per lo sviluppo di dispositivi quantistici di nuova generazione.

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