Gli scienziati sono a un passo dal realizzare l’invenzione diventata famosa con la serie “Star Trek”: il teletrasporto. Nessun salto di galassia in galassia, né il trasporto di persone da un luogo a un altro, ma per la prima volta sarebbe stata teletrasportata l’informazione da un atomo a un altro lungo una distanza di un metro.
Si tratta di una pietra miliare nel campo dell’elaborazione dell’informazione quantistica, ha dichiarato Christopher Monroe del Joint Quantum Institute, Università del Maryland, che ha condotto l’esperimento.
Il teletrasporto rappresenta una delle forme di trasporto più misteriose: l’informazione quantistica, come lo spin di una particella o la polarizzazione di un fotone, viene trasferita da un luogo a un altro senza dover ricorrere ad alcun mezzo fisico. In precedenza si era realizzato un teletrasporto tra fotoni (un’unità, o quanto, di radiazione elettromagnetica, come la luce) lungo distanze molto grandi, tra fotoni e insiemi di atomi, e tra due atomi vicini attraverso l’azione intermediaria di un terzo elemento.
Tuttavia, nessuna di queste procedure permetteva di sostenere e gestire l’informazione quantistica su lunghe distanze.
Ora il gruppo del JQI, assieme ai colleghi dell’Università del Michigan, è riuscito a teletrasportare uno stato quantistico per un metro, direttamente da un atomo a un altro. Questa abilità si rende necessaria quando si vogliono creare dei sistemi di informazione quantistica efficienti, poiché essi richiedono un immagazzinamento di memoria sia nell’invio che nella ricezione della trasmissione.
Sul numero del 23 gennaio della rivista “Science”, gli scienziati hanno dichiarato che, utilizzando il loro protocollo, è possibile stabilire il teletrasporto dell’informazione da un atomo a un altro con un’esattezza di circa il 90%, risultato che può essere migliorato.
“Il nostro sistema rappresentare la premessa di un ripetitore quantistico in grado di collegare memorie quantistiche su grandi distanze”, ha detto Monroe. “Inoltre, i nostri metodi possono essere utilizzati in associazione alle operazioni su bit quantici, in modo da creare la componente chiave necessaria per il calcolo quantistico.”
Un computer quantistico saprebbe svolgere diversi compiti, tra cui i calcoli basati su sistemi di criptazione e le ricerche di database giganti, e sarebbero notevolmente più veloci delle macchine convenzionali. Il tentativo di creare un modello base su cui operare sta suscitando un grande interesse a livello mondiale.
Il teletrasporto e l’ entanglement
Il fisico Richard Feynman avrebbe dichiarato che “chi pensa di comprendere la meccanica quantistica, non comprende la meccanica quantistica”.
Altre volte avrebbe detto: “Penso di poter affermare in tutta certezza che nessuno comprende davvero la meccanica quantistica”.
Eppure, ecco come l’Università del Maryland descrive il lavoro di Monroe.
Il teletrasporto opera in virtù di un fenomeno quantistico di notevole importanza, l’entanglement, che avviene solo su scala atomica e subatomica. Quando poniamo due oggetti in uno stato di entanglement, le proprietà dell’uno si legano inestricabilmente a quelle dell’altro. Posto che non è possibile conoscere queste proprietà fin quando non viene fatta una misurazione, misurare entrambi uno dei due oggetti determina istantaneamente le caratteristiche dell’altro, e non importa quanto essi siano distanti.
Il gruppo del JQI ha posto in uno stato di entanglement gli stati quantistici di due singoli ioni itterbio, in modo che l’informazione racchiusa nella conduzione dell’uno potesse essere trasportata all’altro. Ogni ione era isolato in una trappola ad alto vuoto, sospesa in una gabbia invisibile fatta di campi elettromagnetici e circondata da elettrodi di metallo.
I ricercatori hanno identificato due stati fondamentali degli ioni (a energia inferiore) immediatamente visibili, che sarebbero serviti come i valori “bit” alternativi di un quantum bit atomico, o qubit.
I bit elettronici convenzionali (dall’inglese binary digit, cifra binaria), come quelli di un personal computer, si trovano sempre in uno dei due stati: off o on, 0 o 1, ad alto o basso voltaggio ecc. Tuttavia, i quantum bit possono trovarsi in alcune combinazioni, chiamate “sovrapposizioni”, di entrambi gli stati contemporaneamente, come una moneta che è allo stesso tempo dritta e al rovescio, fin quando non viene fatta una misurazione. È questo fenomeno che rende il calcolo quantistico qualcosa di straordinario.
L’impulso laser avvia il processo
Nella fase iniziale della sperimentazione, i due ioni (designati come A e B) vengono inizializzati in uno stato fondamentale specifico.
Lo ione A viene irradiato con un’emissione di microonde proveniente da uno degli elettrodi della sua gabbia, il che lo pone in una sovrapposizione precisa degli stati qubit – in effetti “si scrive” nella sua “memoria” l’informazione da teletrasportare.
Subito dopo, entrambi gli ioni vengono eccitati da un laser con impulsi a picosecondi (che equivalgono a un trilionesimo di secondo). La durata dell’impulso è talmente breve che ogni ione emette solo un singolo fotone, mentre perde l’energia ricevuta dal laser e ricade in uno o nell’altro dei due stati fondamentali del qubit.
A seconda dello stato in cui cade, lo ione emette uno dei due tipi di fotoni con lunghezze d’onda leggermente differenti (designati come rosso e blu), che corrispondono ai due stati atomici del qubit. È il rapporto tra questi fotoni che confermerà che l’entanglement è avvenuto.
Incontro col beamsplitter
Ogni fotone emesso viene catturato da una lente diretta verso un filo separato di un cavo a fibre ottiche, e trasportato a un beamsplitter 50-50, dove il fotone ha pari possibilità di passare attraverso lo splitter o di essere riflesso.
Su entrambi i lati del beamsplitter ci sono dei rivelatori in grado di registrare l’arrivo di un singolo fotone.
Prima di raggiungere il beamsplitter, ogni fotone si trova in una sovrapposizione di stati inconoscibile. Dopo aver incontrato il beamsplitter, comunque, ognuno assume caratteristiche specifiche.
Come risultato, per ogni paio di fotoni, sono possibili quattro combinazioni di colori – blu-blu, rosso-rosso, blu-rosso e ross-blu – e due polarizzazioni – orizzontale e verticale. In quasi tutte queste varianti, i fotoni o si annullano a vicenda o finiscono assieme nello stesso rivelatore. Ma c’è una – e soltanto una – combinazione in cui entrambi i rivelatori registreranno un fotone nello stesso momento.
In quel caso, è comunque impossibile dire quale ione abbia prodotto quale fotone perché non si può sapere se il fotone in arrivo al rivelatore sia passato attraverso il beamsplitter o se sia stato riflesso da esso.
Grazie alle leggi peculiari della meccanica quantistica, questa incertezza proietta gli ioni in uno stato di entanglement. Ovvero, ogni ione si trova in una sovrapposizione dei due possibili stati del qubit. La rivelazione contemporanea dei fotoni ai rivelatori non avviene spesso, per cui lo stimolo laser e il processo di emissione dei fotoni devono essere ripetuti migliaia di volte al secondo. Ma quando un fotone appare in ogni rivelatore, è un segno inequivocabile di entanglement tra gli ioni.
Quando viene identificata una condizione di entanglement, gli scienziati fanno immediatamente una misurazione dello ione A. La misurazione lo forza a uscire dalla sovrapposizione e lo fa entrare in una condizione specifica: uno dei due stati del qubit.
Poiché lo stato dello ione A è irreversibilmente legato a quello dello ione B, la misurazione forza anche il B a entrare nello stato complementare. In base allo stato in cui si trova lo ione A, i ricercatori ora sanno precisamente quale tipo di impulso a microonde applicare allo ione B, affinché recuperi l’informazione esatta che è stata scritta allo ione A dall’emissione di microonde originaria. Fare ciò porta a un vero e proprio teletrasporto dell’informazione.
Il teletrasporto contro le altre forme di comunicazione
Ciò che fa di questo risultato una forma di teletrasporto, invece che qualsiasi altra forma di comunicazione, è che nessuna informazione riguardante la memoria originaria passa effettivamente tra lo ione A e quello B.
Infatti, l’informazione scompare quando si misura lo ione A e riappare quando allo ione B viene applicato l'impulso a microonde.
“Uno degli aspetti più affascinanti del nostro metodo è che esso combina i vantaggi singoli sia dei fotoni che degli atomi”, ha dichiarato Monroe. “I fotoni sono ideali per trasferire l’informazione velocemente lungo grandi distanze, mentre gli atomi offrono un mezzo efficace per una memoria quantistica che duri a lungo… Inoltre, in questo modo il teletrasporto dell’informazione quantistica potrebbe rappresentare la base su cui costruire un internet quantistico in grado di superare, nella organizzazione di compiti specifici, i network classici di tipo convenzionale.”
Traduzione a cura di Paola M.
Fonte: http://www.coscienza.org/_ArticoloDB1.asp?ID=1012 , http://www.livescience.com/strangenews/090123-teleportation-atoms.html