Nel 2005, il necrologio del fisico Asher Peres sulla rivista Physics Today ci ha detto che quando un giornalista gli ha chiesto se il teletrasporto quantistico potesse trasportare l’anima di una persona così come il loro corpo, lo scienziato ha risposto: “No, non il corpo, solo l’anima”. Più che un semplice scherzo, la risposta di Peres offre una spiegazione perfetta, codificata in una metafora, della realtà di un processo che abbiamo visto innumerevoli volte nella fantascienza. In effetti, il teletrasporto esiste, sebbene nel mondo reale lo sia abbastanza diverso dal famoso “teletrasportami, Scotty!” associato alla serie Star Trek.

Il teletrasporto nella scienza reale iniziò a prendere forma nel 1993 grazie a uno studio teorico pubblicato da Peres e altri cinque ricercatori su Physical Review Letters, che pose le basi per il teletrasporto quantistico. Apparentemente l’idea del coautore Charles Bennett è stata quella di associare il fenomeno proposto all’idea popolare di teletrasporto, ma c’è una differenza essenziale tra finzione e realtà: in quest’ultima non è questione che viaggi, ma piuttosto informazione, che trasferisce proprietà da la questione originale a quella della materia di destinazione.

Il teletrasporto quantistico si basa su un’ipotesi descritta nel 1935 dal fisico Albert Einstein e dai suoi colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen, nota come paradosso EPR. Come conseguenza delle leggi della fisica quantistica, è stato possibile ottenere due particelle e separarle nello spazio in modo che continuassero a condividere le loro proprietà, come due metà di un tutto. Quindi, un’azione su uno di essi (su A, o Alice, secondo la nomenclatura utilizzata) avrebbe istantaneamente effetto sull’altro (su B, o Bob). Questa “azione spettrale a distanza”, nelle parole di Einstein, sembrerebbe in grado di violare il limite della velocità della luce.

La teoria di questo fenomeno, chiamato quantum entanglement, fu successivamente sviluppata nel 1964 da John Stewart Bell ed è stata confermata da numerosi esperimenti. Il lavoro di Peres, Bennett e dei loro collaboratori hanno proposto che una terza particella potesse interagire con quella di Alice e perdere una stato quantico – il valore di una delle sue proprietà fisiche – da trasferire a quello di Bob, in modo che acquisisca quello stato. Senza un trasferimento di materia, la particella di Bob verrebbe convertita in una copia della particella interattiva Alice, e non ci sarebbe mai stato un contatto fisico tra di loro loro.

Qubit teletrasportati

Dal 1998, vari esperimenti hanno ottenuto questo teletrasporto quantistico, utilizzando inizialmente singoli fotoni, poi atomi e sistemi più complessi. In un primo momento il fenomeno è stato dimostrato a breve distanza, che è aumentata negli studi successivi a centinaia di metri e chilometri. Il record attuale è il teletrasporto di fotoni a 1.400 chilometri dalla Terra al satellite Micius in orbita terrestre, un risultato raggiunto con successo nel 2017 dal team guidato da Jian-Wei Pan presso l’Università cinese di Scienza e Tecnologia di Hefei (USTC).

In questi esperimenti, ciò che viene trasmesso è un’informazione codificata in bit. In senso classico, un bit è un’unità di base di informazioni binarie che assume il valore di 0 o 1. Nella sua applicazione agli stati quantistici, un bit può contenere informazioni, ad esempio, sullo spin di una particella (una sorta di rotazione ). Ma nella versione quantistica del bit, il qubit, il suo valore può essere sia 0 che 1 o un altro valore, come 2, poiché la meccanica quantistica consente agli stati di sovrapporsi. Questo è il motivo per cui l’informatica quantistica è vista come una tecnologia più potente dell’informatica tradizionale, poiché la sua capacità di memorizzare ed elaborare le informazioni è molto maggiore.

Tuttavia, è essenziale sottolineare che il teletrasporto quantistico non serve a trasmettere dati istantaneamente o a una velocità superiore a quella della luce. Il motivo è che Bob ha bisogno di ottenere informazioni aggiuntive sulle misurazioni di Alice che non vengono trasmesse attraverso il sistema di particelle entangled, e quindi devono essere inviate attraverso un altro canale; per ogni qubit teletrasportato devono essere trasmessi due bit classici, e questo può essere fatto solo attraverso modalità tradizionali che, al massimo, raggiungono solo la velocità della luce.

Una futura rete quantistica

Ma nonostante questa limitazione, le possibilità del teletrasporto quantistico sembrano sempre più promettenti man mano che vengono raggiunti nuovi traguardi. Quest’anno due team di ricercatori hanno segnalato per la prima volta la trasmissione di qutrit, o unità di informazione tridimensionali (che possono assumere tre valori, 0, 1 e 2). “Entrambi gli studi hanno dimostrato il teletrasporto di qutrit.La differenza principale è il metodo che abbiamo utilizzato “, spiega a OpenMind Bi-Heng Liu, fisico presso l’UCTC e coautore di uno degli studi non ancora pubblicati.

Tuttavia, al momento c’è ancora qualche polemica in gioco tra le due squadre. Come spiegato ad OpenMind dal fisico Chao-Yang Lu, anche lui dell’UCTC e coautore dell’altro studio, pubblicato su Physical Review Letters, a proposito del lavoro dei suoi colleghi, “la natura stessa del teletrasporto non è stata dimostrata . ” Anche il coautore dello stesso studio Manuel Erhard, dell’Università di Vienna, ritiene che nell’esperimento di Liu “le misurazioni e i risultati non siano sufficienti per rivendicare un vero teletrasporto quantistico tridimensionale e universale”. Da parte sua, Liu difende i suoi risultati: “Abbiamo fatto la simulazione numerica e confermato il teletrasporto dei qutrit”.

La controversia si estende anche alle possibilità di scalare il sistema a un maggior numero di dimensioni. Secondo a Liu, “entrambi gli schemi sono scalabili”. Da parte sua, Erhard sostiene che il suo sistema può essere facilmente esteso a qualsiasi dimensione: “È una questione di sviluppo tecnologico per aumentare ulteriormente la dimensionalità”, dice. D’altra parte, non è sicuro se lo stesso si possa dire sul sistema dei suoi colleghi.

Ma qual è lo scopo di espandere questi esperimenti in un numero maggiore di dimensioni? “Una possibile applicazione del teletrasporto quantistico ad alta dimensione risiede nelle reti quantistiche”, spiega Erhard a OpenMind. “Quindi, immaginiamo una futura rete quantistica basata su alfabeti di dimensioni superiori. Questi hanno il vantaggio di maggiori capacità di informazione e anche una maggiore resistenza al rumore, per esempio.”

Pertanto, passando da qubit a qutrit, e da lì a ququart, e così via, sta ora gettando le basi per le future reti di calcolo quantistico. Lu prevede che il suo sistema raggiungerà la cosiddetta supremazia quantistica, la capacità di risolvere problemi irraggiungibili dall’informatica classica: “Noi siamo implementando esperimenti di calcolo quantistico multidimensionale multi-fotone chiamati campionamento di bosoni e, si spera, nel prossimo futuro speriamo di controllare 30-50 fotoni per raggiungere la supremazia quantistica. “

Javier Yanes

@ yanes68