Dimostrata correlazione quantistica a distanza tra 10 fotoni

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Un esperimento ha dimostrato per la prima volta la correlazione quantistica a distanza tra dieci fotoni. Il risultato, ottenuto con una tecnica sperimentale innovativa, apre la strada ad applicazioni nell’informazione quantistica e nel teletrasporto, ma ancora non basta a rendere competitivi i computer quantistici.

Un gruppo di ricercatori coordinati da Xi-Lin Wang, dell’University of Science and Technology of China di Hefei, ha dimostrato per la prima volta l’entanglement quantistico tra dieci fotoni, migliorando il primato precedente: finora l’entanglement era stato ottenuto al massimo tra otto fotoni. I risultati dell’esperimento sono stati pubblicati su “Physical Review Letters”.

L’entanglement, uno dei fenomeni più affascinanti e controversi della meccanica quantistica, è una correlazione che lega particelle a distanza: quando due particelle sono entangled, una misura dello stato quantistico dell’una influenza anche lo stato dell’altra (e viceversa), qualunque sia la distanza tra le due.

Le possibili applicazioni dell’entanglement sono molteplici, dalla crittografia al teletrasporto fino ai computer quantistici (gli elaboratori del futuro basati sui principi della meccanica quantistica, in grado di sviluppare una potenza di calcolo estremamente superiore ai computer classici). Tuttavia, gli esperimenti che puntano a ottenere l’entanglement tra più particelle presentano ancora importanti limitazioni. In particolare, l’efficienza dei processi che producono particelle entangled, e di conseguenza la quantità stessa di particelle create, è ancora piuttosto bassa.

Apparato sperimentale per la produzione di fotoni entangled (Wikimedia Commons)
Apparato sperimentale per la produzione di fotoni entangled (Wikimedia Commons)

La maggior parte degli esperimenti di entanglement quantistico usa fotoni (i quanti di luce). In questi esperimenti, tipicamente si sfruttano le proprietà di particolari cristalli, come quelli di borato di bario: illuminati da un laser, i cristalli convertono una piccola frazione di fotoni incidenti in una coppia di fotoni entangled.

Questi vengono raccolti e messi a loro volta in entanglement con coppie di fotoni prodotte da altri cristalli. I fotoni in uscita dai cristalli, però, sono emessi in direzioni diverse e con polarizzazioni opposte (la polarizzazione è la direzione di oscillazione del campo elettromagnetico associato ai fotoni): è questo fattore che rende l’efficienza di raccolta dei fotoni abbastanza bassa (attorno al 40 per cento) e limita il numero totale di fotoni entangled prodotti.

Per migliorare l’efficienza, Wang e colleghi hanno avuto l’idea di produrre ciascuna coppia di fotoni entangled tramite un sistema di due cristalli molto vicini tra loro, separati da un dispositivo ottico in grado di modificare la polarizzazione dei fotoni prodotti. Questa configurazione a “sandwich” genera coppie di fotoni che viaggiano nella stessa direzione e con la stessa polarizzazione, aumentando notevolmente l’efficienza di produzione (fino al 70 per cento). Per creare l’entanglement a dieci fotoni, i ricercatori hanno disposto in fila cinque di queste strutture a sandwich, illuminandole con un laser a 0,57 watt di potenza e raccogliendo i fotoni prodotti tramite un altro strumento ottico.

Il risultato ottenuto dai ricercatori cinesi rappresenta un importante passo avanti soprattutto per le possibili applicazioni nel settore dell’informazione quantistica (per esempio nell’elaborazione di codici per la correzione degli errori casuali nei computer quantistici) e negli esperimenti sul teletrasporto, mentre non è ancora sufficiente a rendere i computer quantistici competitivi con quelli classici.

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