Teletrasporto quantistico premendo un bottone

Mediante l’entanglement quantistico i ricercatori di Tokyo e Magonza sono riusciti a teletrasportare qubit fotonici con estrema affidabilità. Un passo avanti decisivo è stato quindi realizzato circa 15 anni dopo i primi esperimenti nel campo del teletrasporto ottico.

Il successo dell’esperimento condotto a Tokyo è attribuibile all’uso di una tecnica ibrida in cui sono stati combinati due approcci concettualmente diversi e finora incompatibili. “L’informazione quantistica ottica digitale discreta può ora essere trasmessa continuamente – spingendo un bottone, se si vuole,” ha spiegato il professor Peter van Loock dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU). Come fisico teorico, van Loock ha consigliato i fisici sperimentali del gruppo di ricerca guidato dal professor Akira Furusawa, dell’Università di Tokyo su come si sarebbe potuto svolgere in modo più efficiente l’esperimento di teletrasporto per verificare in ultima analisi, il successo del teletrasporto quantistico. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

Il teletrasporto quantistico comporta il trasferimento di arbitrari stati quantistici da un mittente, soprannominato Alice, ad un ricevitore spazialmente distante, di nome Bob. Ciò richiede che Alice e Bob condividano inizialmente uno stato quantistico entangled attraverso lo spazio in questione, ad esempio, sotto forma di fotoni. Il teletrasporto quantistico è di fondamentale importanza per l’elaborazione dell’informazione quantistica (quantum computer) e la comunicazione quantistica. I fotoni sono vettori di informazioni ideali per la comunicazione quantistica in quanto possono essere utilizzati per trasmettere segnali alla velocità della luce. Un fotone può rappresentare un bit quantistico o qubit analogo a una cifra binaria (bit) . Questi fotoni sono noti come bit quantistici “volanti”.

I primi tentativi di teletrasportare singoli fotoni o particelle di luce sono stati effettuati dal fisico austriaco Anton Zeilinger. Vari altri esperimenti sono stati eseguiti nel frattempo. Tuttavia, il teletrasporto di bit quantistici fotonici con metodi convenzionali ha dimostrato di avere i suoi limiti a causa di carenze sperimentali e di difficoltà con i principi fondamentali.

Ciò che rende l’esperimento di Tokyo diverso è l’uso di una tecnica ibrida. Grazie ad essa è stato raggiunto un teletrasporto quantistico di qubits fotonici completamente deterministico e altamente affidabile. La precisione del trasferimento andava dal 79 all’82 per cento per i quattro diversi qubit. Inoltre, i qubit sono stati teletrasportati molto più efficiente rispetto a esperimenti precedenti, anche ad un basso grado di entanglement.

Il concetto di entanglement è stato formulato da Erwin Schrödinger e coinvolge una situazione in cui due sistemi quantistici, come ad esempio due particelle di luce, ad esempio, sono in uno stato comune, in modo che il loro comportamento è reciprocamente dipendente in misura maggiore di quanto non sia normalmente possibile.

Nell’esperimento di Tokyo, l’entanglement continuo è stata realizzata mediante l’aggrovigliamento di molti fotoni con molti altri fotoni.
Precedenti esperimenti avevano un entangled fra singoli fotoni, una soluzione meno efficiente. “L’entanglement dei fotoni ha funzionato molto bene per l’esperimento Tdi okyo – praticamente con la semplice pressione di un pulsante, il laser è stato attivato”, ha detto van Loock, Professore di Teoria di ottica quantistica e informazione quantistica all’università di Magonza.

Questo entanglement continuo è stato realizzato con l’aiuto della cosiddetta ‘squeezed light’, che assume la forma di un’ellisse nello spazio delle fasi del campo di luce. Una volta che l’entanglement è stato raggiunto, un terzo campo di luce può essere connesso al trasmettitore. Da lì, in linea di principio, qualsiasi stato e qualsiasi numero di stati possono essere trasmessi al ricevitore. “Nel nostro esperimento, c’erano precisamente quattro stati sufficientemente rappresentativi che sono stati trasferiti da Alice a Bob usando l’entanglement. Grazie a l’ entanglement continuo, è stato possibile trasmettere i qubit fotonici in modo deterministico a Bob”, ha aggiunto van Loock.

I precedenti tentativi di realizzare il teletrasporto ottico sono state eseguiti in modo diverso e, prima d’ora, i concetti utilizzati si sono rivelati incompatibili. Ora, grazie alla tecnologia ibrida, “i due mondi separati, il discreto e il continuo, stanno cominciando a convergere”, ha concluso van Loock.