Teletrasporto Quantistico

È di oggi la notizia della pubblicazione su Nature Photonics di un esperimento che ha consentito di verificare la possibilità di eseguire un teletrasporto quantistico a distanze ragguardevoli: 25 km. Il lavoro rappresenta un nuovo record di distanza per questo genere di esperimenti.

teletrasporto

Ho diffuso la notizia attraverso il mio canale twitter e Valentina @sketchpyl ha reagito col tweet riportato a fianco. Valentina: mi hai provocato e io…me te magno!

Cerchiamo dunque di capire di che si tratta senza citare la nota serie televisiva. Prima di tutto non si tratta di teletrasporto di particelle, ma d’informazione. Quando leggete questa pagina il vostro browser scarica le informazioni da me prodotte da un server che si trova da qualche parte sulla Terra. In altre parole trasporta l’informazione da me prodotta e registrata su un disco presso il vostro domicilio attuale. Anche se l’accesso a questa informazione vi appare istantaneo, in realtà non lo è. Il browser fa una richiesta al server, che cerca l’informazione sul disco, la trova, la codifica e la invia al browser attraverso la rete Internet. Una volta inviata, all’informazione occorre un certo tempo per arrivare a voi: muovendosi a una velocità media pari a circa la metà della velocità della luce nel vuoto, per percorrere una distanza di 25 km impiega una quarantina di microsecondi (milionesimi di secondo) per giungere a destinazione.

Con un sistema quantistico l’informazione si può, al contrario, trasmettere in modo istantaneo, grazie al fenomeno dell’entanglement. Nella Meccanica Classica lo stato di una particella è determinato univocamente dalla sua posizione e dalla sua velocità. Note queste due grandezze si può predire l’evoluzione del sistema nel tempo, conoscendo le forze che agiscono sulla particella.

Nella Meccanica Quantistica, invece, lo stato non solo non è determinato da posizione e velocità, ma non è nemmeno univocamente determinato, in un certo senso. Per definire lo stato di una particella se ne devono conoscere l’energia e il momento angolare: due grandezze fisiche che si possono misurare (non c’importa come, in questo contesto). Questo significa che una singola particella con uno stato ben definito potrebbe avere una posizione qualunque e quindi si può trovare contemporaneamente in due punti diversi dello spazio. È quello che si chiama dualismo onda-corpuscolo: la particella, in un ben definito stato di energia e momento angolare, non ha una posizione definita e si comporta come un’onda. Per quanto ci possa sembrare strano, le cose stanno effettivamente così: gli elettroni, ad esempio, che siamo abituati a considerare particelle, si comportano come onde in certi casi, tanto che si possono costruire i microscopi elettronici in cui i fasci di elettroni si comportano come se fossero fasci di luce! Basta convincersi del fatto che pretendere che una particella si trovi in uno e un solo punto dello spazio è solo un pregiudizio derivante dalla nostra esperienza: se l’esperienza dimostra che così non è, per quanto mi sembri strano, lo devo accettare come un fatto.

Per la Meccanica Quantistica l’oggetto delle nostre osservazioni è sempre qualcosa caratterizzato da uno stato e non si può mai classificare come onda o particella: è sempre entrambe le cose, secondo la maniera in cui lo si osserva. Fino a quando il sistema non interagisce con qualcos’altro il suo stato può benissimo essere non perfettamente definito. Ad esempio: se produco in qualche modo una particella di energia nota, ma non impongo un valore al momento angolare, la particella in questione si trova in una sovrapposizione di stati di momento angolare. Assume, cioè, contemporaneamente, tutti i possibili stati di momento angolare. Solo nell’istante in cui eseguo una misura di questa grandezza la particella assume un particolare stato di momento angolare! E, badate bene, la particella si trova realmente in una sovrapposizione di stati: non stiamo in questo modo traducendo in maniera surrettizia la nostra ignoranza sul suo stato. C’è un esperimento che lo dimostra.

Il momento angolare è qualcosa che possiede una direzione e un verso, come il momento angolare di una trottola che si può rappresentare come una freccia allineata con l’asse di rotazione e la punta rivolta in su o in giù secondo il verso di rotazione (antiorario od orario, visto da sopra) della trottola. Supponiamo di avere una trottola quantistica di cui possiamo misurare, in qualche modo, il momento angolare e supponiamo di averla trovata nello stato in cui il momento angolare è rivolto all’insù. Se eseguissimo la stessa misura più tardi, naturalmente, la troveremmo di nuovo in quella condizione. Ma se misuriamo il momento angolare lungo un’altra direzione, per esempio quella orizzontale, non troveremmo zero, come ci aspetteremmo per una trottola classica: la trottola ci apparirebbe ruotare con l’asse orizzontale. Se ripetiamo questa stessa misura su tante trottole con momento angolare all’insù troveremmo metà delle volte la trottola che ruota con momento angolare orizzontale verso sinistra e metà delle volte con momento angolare orizzontale verso destra. E se si rimisura il momento angolare nella direzione verticale, dopo che si è eseguita questa misura, non si trova più la trottola che ruota con il momento all’insù, ma per metà delle volte su e per metà delle volte giù.

Negli esperimenti di teletrasporto quantistico si producono due particelle (fotoni) in uno stato di momento angolare totale noto, che si ottiene combinando opportunamente i momenti angolari delle due particelle. Con due fotoni, uno con momento angolare su e l’altro con momento angolare giù, posso costruire uno stato con momento angolare nullo. Se separo le due particelle sparandole in direzioni opposte, il sistema costituito dalle due particelle è sempre un sistema di momento angolare nullo e tale deve restare. Di ciascuna particella però non conosco il reale stato di momento angolare: quella sparata verso sinistra, ad esempio, avrà momento angolare su se quella di destra ha momento angolare giù o viceversa. Ma dal momento che non conosco lo stato di momento angolare di ciascuna delle due particelle, ciascuna di esse si deve trovare in una sovrapposizione di stati: si trova cioè contemporaneamente nello stato su e nello stato giù.

Se però eseguo una misura di momento angolare su una delle due particelle della coppia troverò sicuramente su o giù. In quel momento conosco esattamente e istantaneamente lo stato della seconda particella che deve essere per forza opposto a quello della prima. In pratica è come eseguire una misura di momento angolare su una particella che si trova a 25 km da me e conoscere il risultato istantaneamente. Se usassi uno strumento a 25 km di distanza da me, che misurasse il momento angolare della seconda particella, non conoscerei il risultato prima di una quarantina di microsecondi (tanto ci vorrebbe per far sì che il segnale elettrico prodotto da uno strumento di misura mi raggiungesse). In definitiva, con questo sistema riesco a teletrasportare l’informazione relativa allo stato di momento angolare della seconda particella, senza necessità di attendere il risultato di una misura eseguita su di essa e senza di fatto interagire in alcun modo con essa.

La verifica di questa proprietà è fondamentale per dirimere una questione non da poco: la Meccanica Quantistica infatti sembra incompatibile con quella Relativistica secondo la quale è impossibile trasferire informazione a velocità superiori a quella della luce, come in questo caso. Qui infatti non si tratta di conoscere o meno lo stato di una particella, ma in qualche modo di alterarlo istantaneamente attraverso un’operazione eseguita a diversi km di distanza.

Inoltre la verifica di questa proprietà apre la strada a sistemi di crittografia quantistici impossibili da decifrare. Esistono infatti tecniche che permettono di usare sistemi entangled, per cui il destinatario dell’informazione ottiene un pacchetto di fotoni il cui stato è indeterminato fino a quando il mittente non esegue la sua misura, rivelando il contenuto al destinatario. Un eventuale tentativo di carpire l’informazione nelle mani del destinatario produrrebbe un’informazione casuale perché altererebbe l’informazione in modo non controllato.

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...