Teletrasporto quantistico, la prima volta sulla rete

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Due gruppi di ricerca tra loro indipendenti sono riusciti per la prima volta a dimostrare l’entanglement di fotoni su reti in fibra ottica nelle città di Hefei, in Cina, e di Calgary, in Canada. Il risultato può essere considerato il primo passo per la realizzazione di reti telematiche quantistiche su scala metropolitana e la connessione su grandi distanze di futuri computer basati sui quanti.

Il teletrasporto quantistico con fotoni, il trasferimento a lunga distanza dell’informazione codificata da una particella di luce, ha compiuto un grande passo avanti, percorrendo diversi chilometri su due diverse reti a fibre ottiche, rispettivamente nelle città di Hefei, in Cina, e Calgary, in Canada. I risultati, descritti da due diversi articoli apparsi sulle pagine di “Nature Photonics”, dimostrano la possibilità d’integrare le attuali reti telematiche con le potenzialità offerte dalle leggi della meccanica quantistica.

Il teletrasporto quantistico è diventato una realtà fin dagli anni novanta, cioè da quando si è riusciti per la prima volta a dimostrare sperimentalmente il fenomeno dell’entanglement, uno dei più bizzarri e contrari al senso comune tra quelli previsti dalle leggi della meccanica quantistica. Queste leggi prevedono infatti che gli stati quantistici di due particelle opportunamente preparate possono stabilire tra di loro una correlazione che si mantiene anche quando le due particelle sono separate tra loro a una distanza enorme, potenzialmente infinita.

Una conseguenza di questo fenomeno è che quando si effettua una misurazione su una delle due particelle, il suo stato quantistico, fino a quel momento ignoto, “collassa” su un determinato valore; e fa collassare anche quello della particella correlata, in modo istantaneo, qualunque sia la distanza a cui si trova.

È un po’ come quando si esce di casa e ci si accorge di avere con sé solo un guanto destro: immediatamente sappiamo che quello dimenticato è il sinistro. La grande differenza che ciascuno dei guanti è rimasto destro o sinistro in ogni istante, anche quando nessuno li osservava. Gli stati quantistici sono invece indefiniti finché non interviene lo sperimentatore a effettuare una misurazione.

La comunicazione tra stati quantistici entangled è stata dimostrata negli ultimi decenni per molte particelle, atomi e anche per i fotoni, i quanti di luce. In linea teorica, oltre a fornire le basi per reti di comunicazione quantistiche, questa tecnologia potrebbe integrarsi in modo quasi naturale con un altro ambito di ricerche attualmente molto in voga, quello sui computer quantistici.

Secondo alcuni analisti del settore informatico, i computer convenzionali potrebbero essere sempre più vicini ai limiti del loro sviluppo, o comunque renderlo sempre più difficile, dato che la miniaturizzazione dei microchip, su cui si è basato per molti decenni l’incremento della potenza di calcolo, ha ormai raggiunti i limiti fisici del micromondo.

L’idea è dunque usare come supporto fisico dei bit, le unità d’informazione binaria, non più un interruttore elettrico a due stati (“acceso” e spento”, corrispondenti a 0 e 1) ma atomi o particelle, e i loro stati quantistici, che possono assumere un maggior numero di configurazioni, codificando qubit, o bit d’informazione quantistica, incrementando esponenzialmente la capacità di calcolo.

Anche se la ricerca sui computer quantistici e sugli algoritmi che dovrebbero farli funzionare è ancora agli albori, già si pensa che il loro naturale complemento possano essere le reti telematiche quantistiche. I qubit, in altre parole, potrebbero comunicare tramite l’entanglement.

I primo passo verso l’integrazione dell’entanglement in una rete telematica a fibre ottiche è stato realizzato da due gruppi di ricerca tra loro indipendenti. Le difficoltà di una simile impresa tecnologica sono molteplici, ma sono state in parte superate dai due nuovi studi.

Nel primo, Jian-Wei Pan dell’University of Science and Technology of China e colleghi hanno implementato il loro test sul campo a Hefei e hanno sfruttato un fascio di luce con una lunghezza d’onda tipico delle reti di telecomunicazioni attuali, per minimizzare il tasso a cui il segnale di luce perde la sua intensità nella fibra.

Nel secondo studio, Wolfgang Tittel e colleghi dell’Università di Calgary hanno effettuato il loro test sempre a Calgary, in Canada, usando fotoni con una lunghezza d’onda di 795 nanometri, che ha permesso al loro segnale di trasferire ben 17 fotoni al minuto, quindi con una velocità di due ordini di grandezza maggiore rispetto ai colleghi cinesi. La fedeltà del segnale era però inferiore rispetto a quella ottenuta da Pan.

Come spiega Frédéric Grosshans, dell’Université Paris-Saclay in un articolo di commento pubblicato su “Nature”: “Questi due esperimenti combinati dimostrano chiaramente che il teletrasporto su distanze metropolitane e tecnologicamente possibile, e senza dubbio molti esperimenti d’informazione quantistica in futuro potranno basarsi su questi lavori”.

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