Teletrasporto di qubit senza collegamento diretto

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E’ stato compiuto il primo teletrasporto di un’informazione su una rete: Internet quantistica si avvicina. Dai computer quantistici all’Internet quantistica. Scienziati olandesi sono riusciti ad aggiungere un nodo tra due processori quantistici non collegati direttamente e a teletrasportare il valore dei qubit.

La ricerca pubblicata su Nature di un team di scienziati della Delft University of Technology, nei Paesi Bassi, ha compiuto un passo significativo nella direzione del teletrasporto quantistico delle informazioni, cioè con il bit quantistico (qubit) che scompare dalla parte del mittente per apparire dalla parte del destinatario.

E' stato compiuto il primo teletrasporto di un’informazione su una rete: Internet quantistica si avvicinaFinora i qubit sono stati impiegati all’interno dei computer quantistici, e, per quanto riguarda lo sviluppo delle reti, solo tra due nodi adiacenti. La ricerca olandese è riuscita a compiere un trasferimento dell’informazione su tre nodi, con il mittente e il destinatario non collegati direttamente. In sostanza, è stata messa la prima pietra di una possibile Internet quantistica.

Le cose da sapere prima di parlare di Alice, Bob e Charlie

Per il momento i qubit li abbiamo incontrati soprattutto nella descrizione dei computer quantistici. Come variabile di base per rappresentare l’unità di misura della quantità d’informazione, al posto dei bit che possono avere solo un valore di 1 o 0 e si basano sui transistor, i computer quantistici usano i qubit e per rappresentarli si servono solitamente di elettroni che possono assumere stati diversi.

I qubit sono la variante quantistica dei bit, e hanno le stesse restrizioni dei bit normali, cioè devono comunque restituire un valore di 1 o 0, ma il valore di un qubit deve essere ben definito solo quando viene fatta una misurazione per estrarre un output. In tutti gli altri momenti, il suo stato sarà qualcosa di più complesso di quello che può essere comunicato da un semplice valore binario. E per rappresentare i suoi stati probabilistici si utilizza la sfera di Bloch e calcoli sui vettori e sulle matrici.
L’entanglement quantistico èL’entanglement quantistico è fenomeno per il quale gli stati quantici, come per esempio lo spin o la polarizzazione delle particelle localizzate in diverse posizioni, non possono essere descritti in modo indipendente. Cioè, l’esecuzione di una misura su una particella implica una conseguente azione su un’altra particella.

Uno stato di Bell è definito come uno stato quantistico entangled di due qubit. In questo stato il risultato di un qubit perfettamente casuale, con probabilità al 50% di avere il valore di 0 e 1, sarebbe comunque lo stesso ottenuto dal qubit con cui condivide lo stato quantistico entangled.

Per descrivere alcuni dei fenomeni quantistici, spesso vengono usati i nomi di Alice e Bob per identificare degli osservatori locali. Per esempio, nella descrizione dello stato di Bell precedente si può anche dire che il qubit posseduto da Alice può essere sia 0 sia 1. Se Alice misurasse il suo qubit il risultato sarebbe perfettamente casuale, con una probabilità del 50% per entrambe le possibilità. Ma se Bob misurasse il suo qubit, il risultato sarebbe lo stesso di quello ottenuto da Alice. Quindi, se Bob facesse una misura, anche egli otterrebbe un risultato casuale a prima vista, ma se Alice e Bob comunicassero scoprirebbero che, sebbene i risultati sembrino casuali, sono correlati.

Nel caso della ricerca olandese, compare anche un terzo protagonista, il suo nome è Charlie, e deve inviare un messaggio ad Alice.

Bob è l’amico buono che fa conoscere Alice e Charlie

I nodi di questa rete quantistica sono costituiti da piccoli processori quantistici che sfruttano i Nitrogen-Vacancy (NV) centers dei diamanti. Cioè, delle impurità cristalline del diamante la cui concentrazione ottenuta anche artificialmente può essere usata in divesi campi della quantistica. I nodi sono Alice, Charlie; e c’è pure Bob.

Per inviare un’informazione quantistica ad Alice, Charlie potrebbe usare dei fotoni sfruttando un cavo in fibra ottica che li colleghi direttamente, ma in special modo sulle lunghe distanze, l’informazione quantistica rischierebbe di venire dispersa dal cavo. Poiché è impossibile copiare semplicemente i bit quantistici, la perdita di una particella di luce equivale a un’informazione quantistica che diventa irrecuperabile.

A questo punto viene in aiuto Bob, che può permettere il teletrasporto quantistico perché assume il ruolo di nodo intermedio tra Alice e Charlie che non hanno un collegamento diretto.

Alice e Charlie hanno però entrambi un collegamento entangled con Bob. È come se Bob prendesse con una mano quella di Alice e con l’altra quella di Charlie.

Bob è l'amico buono che fa conoscere Alice e CharlieAlice e Charlie quindi sono ora in entangled con l’aiuto di Bob, che di fatto è servito per “presentarli” l’una all’altro. Charlie allora prepara il qubit da inviare, poi fa una misurazione sul suo processore quantistico e sulla metà del suo stato entangled: l’altra metà e posseduta da Alice.

A seguito di questa misurazione, il qubit misurato da Charlie scompare dalla sua parte e ricompare dalla parte di Alice, teletrasportando l’informazione.

Bob è l'amico buono che fa conoscere Alice e CharlieSfruttando un terzo nodo (Bob), i ricercatori olandesi sono quindi riusciti a teletrasportare un qubit quantistico tra due nodi (Alice e Charlie) che non avevano un collegamento diretto. Per dimostrare che il teletrasporto funziona in modo generico, gli scienziati hanno ripetuto l’intero esperimento per diversi valori di bit quantici.

È l’anticamera di una futura internet quantistica, con calcoli qubit che dunque potrebbero uscire dai computer quantistici e viaggiare su una rete composta da tanti Alice, Charlie Bob che si tengono per mano.

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