Il mese scorso sono avvenuti contemporaneamente due interessanti sviluppi nel campo della tecnologia quantistica: scienziati cinesi hanno teletrasportato fotoni di luce da una stazione di terra a un satellite spaziale e una conferenza annuale dei principali esperti di fisica quantistica si è tenuta a Mosca. Business Insider è stato in grado di catturare il dottor Eugene Polzik del Niels Bohr Institute, uno dei massimi esperti di teletrasporto quantistico, e di interrogarlo su una varietà di questioni, incluso l'eccezionale successo dei suoi colleghi cinesi.
"Teletrasporto di questo tipo sono stati effettuati in condizioni di laboratorio dal 1997, ma gli scienziati cinesi sono riusciti a ottenere questo incredibile effetto tecnologico a grande distanza", ha detto Polzik.
Nel 2012, un team di scienziati europei ha teletrasportato con successo i fotoni tra le due Isole Canarie. La distanza tra i dispositivi di trasmissione e ricezione era di 141 chilometri. I ricercatori cinesi sono riusciti a battere questo record a luglio, quando hanno teletrasportato con successo i fotoni su una distanza di 500 chilometri.
Abbiamo a lungo sognato una tale tecnologia da Star Trek, anche se la nostra intuizione ha sempre detto che il teletrasporto è praticamente impossibile. Tuttavia, la fisica del nostro mondo reale, in cui viviamo ogni giorno, ha poca somiglianza con la fisica del mondo quantistico. Qui, le leggi di una pietra che cade da una scogliera e che governano gli elettroni e i singoli fotoni di luce sono completamente diverse da ciò che siamo abituati a vedere. Pertanto, in un mondo così bizzarro, quasi tutto è possibile, incluso il teletrasporto. Come capire tutto questo? Il punto di partenza è l'entanglement quantistico.
Cos'è l'entanglement quantistico?
A volte due particelle quantistiche risultano essere collegate allo specchio. Qualunque cosa accada a una di queste particelle, lo stesso accadrà all'altra. Anche se sono separati da grandi distanze. Sono ancora due oggetti separati, ma sono identici in tutto. Quando due particelle condividono i loro stati, tali particelle sono chiamate entangled.
"Supponiamo che io abbia creato una coppia di fotoni entangled", spiega Polzik.
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“Ne tengo uno e mando l'altro con un laser a un satellite spaziale in orbita, sperando che il fotone raggiunga la sua destinazione. Il teletrasporto può essere considerato riuscito solo quando lo stato di entanglement a due fotoni è separato tra le stazioni trasmittenti e riceventi.
La principale difficoltà tecnica del processo di teletrasporto risiede nel trasferimento di un fotone a una certa distanza dalla particella partner entangled. Nel caso dell'esperimento cinese, un fotone era in un laboratorio sulla Terra e il secondo è stato inviato con successo a un satellite in orbita. I cambiamenti avvenuti con il fotone sulla Terra come parte delle manipolazioni degli scienziati hanno anche influenzato il fotone nello spazio: questo è il teletrasporto quantistico nella sua forma più pura.
Come capire se il satellite ha ricevuto il fotone desiderato e non una particella di luce casuale?
Questo è relativamente facile da fare grazie a un processo chiamato filtraggio spettrale. Consente agli scienziati di identificare e tracciare i singoli fotoni di luce etichettandoli con un numero di identificazione univoco.
“Conosci la frequenza del fotone che stai inviando, conosci la sua direzionalità. Il satellite è puntato alla fonte di spedizione situata sulla Terra. Se si dispone di un'ottima attrezzatura ottica su entrambi i lati, queste ottiche vedono solo la sorgente e nient'altro , continua Polzik.
Il metodo di filtraggio spettrale è indifferente al "rumore" sotto forma di altri fotoni. Ad esempio, nello stesso esperimento nelle Isole Canarie, la trasmissione è stata effettuata sotto un cielo limpido e soleggiato.
C'è stato un trasferimento di milioni di fotoni al satellite, ma solo 900 hanno raggiunto la destinazione, perché?
Più si tenta di inviare il fotone entangled, meno efficiente diventa questo processo. Inoltre, l'atmosfera terrestre è in costante movimento, quindi è facile perdere fotoni nel loro percorso nello spazio esterno.
“Anche se non c'era atmosfera, è comunque necessario focalizzare il fascio di luce in modo che sia diretto verso il satellite. Se fai brillare un puntatore laser sul palmo della mano, il punto luminoso sarà piccolo, ma se rimuovi semplicemente il laser e il punto diventa più grande, questa è la legge della diffrazione , afferma Polzik.
Da terra, è piuttosto difficile per la luce penetrare nello spazio (a un ricevitore ottico installato su un satellite in orbita). Distorce molto, quindi la maggior parte dei fotoni non va da nessuna parte.
“Il teletrasporto di successo può essere ottenuto solo in un periodo di tempo molto breve. In generale, questo è molto poco pratico, ma tuttavia è possibile trovare modi per utilizzare questa tecnologia , continua Polzik.
Il teletrasporto quantistico è un trasferimento istantaneo di dati?
Non proprio. Gli oggetti trasportabili non scompaiono e poi riappaiono da qualche altra parte. Gli scienziati usano l'entanglement per trasferire le informazioni sullo stato quantistico di un fotone a un altro. Senza queste informazioni, il fotone dovrà coprire fisicamente l'intera distanza tra trasmettitore e ricevitore. Anche in questo caso, le informazioni non vengono trasmesse istantaneamente. Ciò è possibile solo quando il mittente misura lo stato quantistico del suo fotone, cambiando così lo stato del fotone nel ricevitore. A causa dell'entanglement quantistico, essenzialmente un fotone "diventa" un altro fotone.
Allora a cosa serve tutto questo?
Il teletrasporto quantistico è in grado di dimostrare il concetto della possibilità di creare una rete di comunicazione mondiale ultra sicura. Come una chiave che apre un lucchetto, un messaggio trasmesso su una rete quantistica raggiungerà solo il destinatario che possiede il fotone correttamente impigliato, che permetterà a questo messaggio di essere ricevuto e letto.
Albert Einstein una volta chiamava l'entanglement quantistico "spettrale azione a lungo raggio", ma questa azione a lungo raggio è la componente fondamentale che fa funzionare tutto. E un giorno potrebbe diventare il motore della nostra comunicazione sicura in futuro.
Nikolay Khizhnyak
