teletrasporto

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teletraspòrto s. m. – Tra i nuovi campi di ricerca sperimentale della meccanica quantistica, hanno avuto grande sviluppo gli studi sul fenomeno del t. quantistico, che consiste nella ricostruzione di informazioni contenute in un sistema quantistico in base a misurazioni effettuate su una parte del sistema. La chiave per la realizzazione del t. è la possibilità di sfruttare uno dei fenomeni più misteriosi della fisica, l’entanglement, ossia la proprietà di correlazione quantistica di natura fondamentale tra due sistemi opportunamente preparati che si mantiene anche quando tali sistemi sono separati a distanza arbitraria. Le ricerche sul t. si inquadrano sempre più spesso nell’ambito della teoria dell’informazione quantistica. Un elaboratore quantistico sarà profondamente diverso dagli attuali elaboratori, in quanto non si tratterà solamente di ridurre mediante la tecnologia avanzata la dimensione delle porte logiche, da quella attuale (una frazione di μm) a quella di pochi atomi, ma implicherà un funzionamento concettualmente diverso. L’unità di informazione convenzionale, il bit, con due stati distinti associati formalmente ai due valori logici, sarà sostituito dal bit quantistico o qubit, con proprietà molto diverse, che consentiranno di avere a disposizione una potenza di calcolo enormemente più grande di quella degli elaboratori attuali, in quanto il processo di elaborazione sarà ottenuto mediante l’evoluzione temporale di un sistema quantistico il quale racchiude in sé tutta l’informazione (v. ). Formalmente un qubit, seguendo le regole della meccanica quantistica per la descrizione dello stato di un sistema fisico, è rappresentato da un vettore o ket |Q› normalizzato di uno spazio di Hilbert a due dimensioni. Se, per mantenere la corrispondenza di un bit classico che può avere valore 0 o 1, indichiamo con |0› e |1› i ket ortonormali di base associati ai due livelli di un qualsiasi sistema fisico, si ha che, contrariamente a quanto succede per un bit classico, il qubit può esistere in una sovrapposizione di stati  |Q›=α|0›+β|1›  con |α|²+|β|²=1, dove α e β sono due numeri complessi il cui modulo quadrato è la probabilità di avere il qubit rispettivamente nello stato |0› e |1›. L’entanglement è un fenomeno che si può manifestare con due o più qubit, come nel seguente esempio di stati chiamati da J.S. Bell di entanglement massimo  |Q-›= (2)^-1/2 (|0,1›-|1,0›). In questo caso, la misura del valore del primo qubit determina anche il valore del secondo qubit qualunque sia la situazione fisica del sistema rappresentato. Per fissare le idee e per rifarsi a una delle formulazioni dell’esperimento EPR (dalle iniziali di A. Einstein, B. Podolsky e N. Rosen), ideato nel 1935 allo scopo di criticare i fondamenti della meccanica quantistica in base a una sua presunta incompletezza, si assume che lo stato di un sistema sia uno stato entangled di spin totale S=0 e componente totale di spin lungo un asse, convenzionalmente l’asse z, S_z=0. Inoltre si suppone che il sistema sia formato da due particelle di spin ħ/2 che si allontanano velocemente l’una dall’altra. In questa situazione, se si misura la proiezione dello spin della prima particella e si trova, per es., il valore ħ/2 si saprà anche con certezza che l’altra avrà proiezione di spin pari a -ħ/2. Ciò è vero anche se all’istante della misurazione le due particelle sono a distanza enorme l’una dall’altra. Con l’avvento dei metodi dell’ottica quantistica non lineare è possibile creare stati entangled piuttosto facilmente utilizzando l’effetto non lineare di parametric down conversion (conversione parametrica in cui il fotone entrante nel cristallo produce in uscita due fotoni in modo che nel processo si conservino l’energia e l’impulso, come se il cristallo non intervenisse affatto), che avviene quando un intenso fascio laser nell’ultravioletto interagisce opportunamente in un cristallo non lineare. Il t. è stato ottenuto proprio utilizzando stati entangled: il qubit che si trovava nello stato quantico |ψ› nella posizione A viene esattamente replicato nella posizione di arrivo B. La procedura di t. richiede un protocollo ben preciso (proposto nel 1993 dal gruppo di ricerca di C.H. Bennett), basato sulla presenza di due qubit entangled spazialmente separati, uno in una posizione A (osservatore, per es. di nome Alice), e uno nel punto di arrivo B (osservatore Bob), indicati rispettivamente con |Q_A› e |Q_B›. Alice effettua una misura congiunta su |Q_A› e |ψ› utilizzando una base di Bell: la misura di Alice, secondo le regole della meccanica quantistica, fa collassare simultaneamente lo stato entangled di Bob |Q_B› in un ben definito stato quantico. Inoltre Alice trasmette l’informazione ottenuta dalla sua misura a Bob tramite un canale di trasmissione classico (quindi rispettando la causalità) in modo tale che Bob sia in grado di effettuare l’opportuna modifica su |Q_B› (trasformazione unitaria) che lo trasforma in |ψ› (lo stato resta inoltre ignoto), perciò con la procedura descritta che non viola un teorema molto importante che vieta la clonazione quantistica (quantum non cloning theorem), enunciato nel 1982 da W.K. Wootters e W.H. Zurek. Un esperimento di t. che ha avuto grande risonanza mediatica è stato effettuato nel 2003 dal gruppo diretto da N. Gisin: si è trattato di un t. su grande distanza (circa 2 km in totale) mediante fibre ottiche tra due laboratori situati in luoghi distanti 55 m. Nel gennaio 2009 un gruppo di ricerca del Joint quantum institute (JQI) dell’University of Maryland (UMD) e dell’University of Michigan guidato da C. Monroe ha annunciato di avere teletrasportato informazioni tra due atomi non connessi distanti un metro; secondo quanto riferito dal gruppo di ricerca, il protocollo sperimentale utilizzato permetterà un recupero dell’informazione con un’accuratezza del 90%, con ulteriori possibili miglioramenti, gettando così le basi per potenziali sviluppi nell’ambito della connessione in rete delle memorie quantistiche e della costruzione di calcolatori quantistici del futuro. Nel dicembre 2012 un team coordinato da Jian-Wei Pan del Hefei national laboratory for physical sciences at the microscale e composto anche da ricercatori dell’University of science and technology of China e dell’Universität Heidelberg, ha comunicato di avere teletrasportato per la prima volta l’informazione relativa a un complesso sistema di circa 100 milioni di atomi di rubidio grande circa 1 mm, con un successo valutato nell’88% dei casi.