Realizzato teletrasporto quantistico di bit tra nodi non connessi

 

 

Ricercatori olandesi teletrasportano informazioni attraverso una rete quantistica rudimentale.

 

 

Il potere di una futura Internet quantistica si basa sulla capacità di inviare informazioni quantistiche (bit quantistici) tra i nodi della rete. Ciò consentirà tutti i tipi di applicazioni come la condivisione sicura di informazioni riservate, il collegamento di diversi computer quantistici per aumentare la loro capacità di elaborazione e l’uso di sensori altamente precisi.

I nodi di una tale rete quantistica sono costituiti da piccoli processori quantistici. L’invio di informazioni quantistiche tra questi processori non è un’impresa facile. Una possibilità è inviare bit quantici utilizzando particelle di luce ma, a causa delle inevitabili perdite nei cavi in fibra ottica, in particolare su lunghe distanze, le particelle di luce molto probabilmente non raggiungeranno la loro destinazione. Poiché è fondamentalmente impossibile copiare i bit quantistici, la perdita di una particella di luce significa che l’informazione quantistica è irrimediabilmente persa.

Il teletrasporto offre un modo migliore per inviare informazioni quantistiche. Il protocollo per il teletrasporto quantistico deve il suo nome alle somiglianze con quello dei film di fantascienza: il bit quantistico scompare sul lato del mittente e appare dalla parte del ricevitore.

Poiché quindi in questo modo il bit quantico non ha bisogno di viaggiare attraverso lo spazio tra i due, non c’è pericolo che venga perso. Ciò rende il teletrasporto quantistico una tecnica cruciale per una futura Internet quantistica.

Per poter teletrasportare bit quantistici, sono necessari diversi ingredienti: un collegamento che sfrutta l’intreccio quantistico tra mittente e ricevitore, un metodo affidabile per leggere i processori e la capacità di memorizzare temporaneamente bit.

Precedenti ricerche presso QuTech, una collaborazione tra la Delft University of Technology e l’Organizzazione olandese per la ricerca scientifica applicata (TNO), hanno dimostrato che è possibile teletrasportare bit quantistici tra due nodi adiacenti.

I ricercatori di QuTech hanno ora dimostrato per la prima volta di poter attuare il teletrasporto anche tra nodi non adiacenti, in altre parole su una rete.

La rete quantistica gestita da Sophie Hermans, Ronald Hanson e colleghi coinvolge tre nodi chiamati Alice, Bob e Charlie collegati da fibre ottiche in linea, con collegamenti diretti tra Alice e Bob e tra Bob e Charlie, ma non tra Alice e Charlie.

I ricercatori hanno teletrasportato bit quantici dal nodo Charlie al nodo Alice, con l’aiuto del nodo intermedio Bob.

fasi Il teletrasporto si compone di tre fasi. In primo luogo, deve essere preparato, il che significa che deve essere creato uno stato di “intreccio” (entangled) quantistico tra Alice e Charlie. Alice e Charlie non hanno una connessione fisica diretta, ma sono entrambi direttamente collegati a Bob.

Per questo, Alice e Bob creano uno stato entangled tra i loro processori. Bob quindi memorizza la sua parte dello stato entangled. Successivamente, Bob crea uno stato entangled con Charlie. Viene quindi eseguito un “gioco di prestigio” quantomeccanico: effettuando una misurazione speciale nel suo processore, Bob invia l’entanglement per così dire. Risultati: Alice e Charlie sono ora entangled e il teletrasporto è pronto per essere utilizzato.

Chiariamo cos’è l’intreccio (entanglement) quantistico: è una proprietà “bizzarra” di un sistema di due particelle microscopiche, per cui se una si trova in un certo stato quantico, l’altra deve essere in quello opposto.

La bizzarria (Einstein usò un aggettivo molto più dispregiativo, in quanto non convinto della sua validità fisica) consiste nel fatto che poiché le particelle possono esistere solo se stanno in due stati opposti, se una cambia stato allora l’altra lo deve fare istantaneamente, anche se si trova a milioni di chilometri di distanza.

Questa “azione istantanea” sembra infatti contraddire le leggi della fisica, in quanto consentirebbe a un’informazione (la particella che cambia stato “dice” all’altra che anch’essa lo deve fare) di viaggiare più veloce della luce (cosa effettivamente impossibile). Il paradosso, spiegabile con la meccanica quantistica, è detto appunto “intreccio”, perché è come se i due oggetti fossero legati tra loro indissolubilmente.

Il secondo passo è creare il “messaggio” – il bit quantico – da teletrasportare. Questo può, ad esempio, essere “1” o “0” o vari altri valori quantistici intermedi. Per dimostrare che il teletrasporto funziona, i ricercatori hanno ripetuto l’intero esperimento per vari valori di bit quantistici. Charlie prepara questa informazione quantistica.

Il terzo passo è il vero teletrasporto da Charlie ad Alice. A tale scopo, Charlie effettua una misurazione congiunta col messaggio sul suo processore quantistico e sulla sua metà dello stato entangled (Alice ha l’altra metà). Quello che poi succede è qualcosa che è possibile solo nel mondo quantistico: come risultato di questa misurazione, l’informazione scompare dalla parte di Charlie e appare subito dalla parte di Alice.

Si potrebbe pensare che tutto sia poi completato, ma non ancora. In effetti, il bit quantistico è stato crittografato al momento del trasferimento; la chiave è determinata dal risultato della misurazione di Charlie. Quindi Charlie invia il risultato della misurazione ad Alice, dopodiché Alice esegue l’operazione quantistica pertinente per decrittare il bit quantistico. Ad esempio tramite un “bit flip”: 0 diventa 1 e 1 diventa 0. Dopo che Alice ha eseguito l’operazione corretta, l’informazione quantistica è pronta per un ulteriore utilizzo. Il teletrasporto è riuscito.

La ricerca successiva si concentrerà sull’inversione dei passaggi uno e due del protocollo di teletrasporto.

 

 

Crediti: Marieke de Lorijn for QuTech.