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Continuano con successo gli esperimenti di laboratorio sul teletrasporto quantico di bit su fibra ottica. Nel giro di un anno si è passati dal teletrasporto di informazioni tra due elettroni posti a circa 3 metri di distanza l'uno dall'altro al trasporto di informazioni lungo un percorso di oltre 100 chilometri nel corso dell'esperimento compiuto dagli scienziati del NIST (National Institute of Standards and Technology) nella prima metà del 2015 e pubblicato sul numero di ottobre 2015 della rivista di settore Optica.
Anche se per un probabile utilizzo su grande scala bisognerà attendere ancora diversi anni (se non decenni), l'esperimento del NIST conferma che il teletrasporto quantico su grandi distanze è realizzabile tramite supporti in fibra ottica, aprendo le porte a reti informatiche dal design flessibile e di più semplice realizzazione.
Che cos'è il teletrasporto quantico
Necessaria, innanzitutto, una premessa: il teletrasporto quantico non ha nulla a che vedere con il teletrasporto cui il cinema ci ha abituato. Non si trasportano oggetti o persone, ma informazioni codificate negli stati quantici in cui si trovano, a seconda dei casi, fotoni elettromagnetici o particelle elementari: le variazioni degli stati sono registrate e decodificate così da poter essere interpretate all'interno di un sistema informatico quantico.
Inteso in questo senso, il teletrasporto quantico può essere utile per la realizzazione sia dei già citati sistemi informatici sia nella realizzazione di reti di comunicazione quantistiche, teoricamente inattaccabili grazie all'impiego di soluzioni di cifratura che fanno capo alla crittografia quantistica.
I primi esperimenti
I primi a concludere (prima metà del 2014) con successo il teletrasporto quantico sono stati due fisici olandesi dell'Istituto di Nanoscienza Kevli, una branca della Delft University of Technology. In questo caso, i dati trasportati nell'esperimento consistevano in bit quantistici (o qubit) associati al valore che assumeva lo stato quantico di rotazione (lo spin) di due elettroni. Per provare le loro tesi, i due ricercatori hanno realizzato una rete quantica all'interno della quale le informazioni viaggiano per mezzo di fasci di luce laser, concentrati tramite diamanti e filtrati da chip fotonici. Questo complesso sistema fisico (nel quale trovano posto anche contenitori criogenici con temperature prossime allo 0 assoluto) ha permesso di sfruttare il fenomeno dell'entanglement quantico per realizzare il teletrasporto di informazioni da un capo all'altro del laboratorio.
L'esperimento del NIST
Gli scienziati dell'ente di ricerca statunitense hanno sfruttato strumenti tecnologici differenti, riuscendo comunque a ottenere risultati analoghi a quelli appena descritti. L'aspetto più interessante – e che differenzia l'esperimento statunitense da quello olandese – sta nella distanza percorsa dalle informazioni: il viaggio di oltre 100 chilometri compiuto dai fotoni lungo i cavi di fibra ottica del NIST rappresentano un record mondiale.
I fotoni utilizzati nell'esperimento vengono anzitutto fatti transitare lungo un persorso che presenta un bivio: da una parte il percorso prosegue per la via più corta mentre dall'altra fa una deviazione ed arriva allo stessa meta per una via più lunga. I fotoni hanno la stessa identica probabilità (il 50%) di seguire il percorso più breve oppure quello più lungo e di conseguenza di arrivare alla meta nel minor tempo possibile oppure in leggero ritardo.
Visto che gli scienziati non misurano, in questa fase, il tempo di percorrenza, quando il fotone arriva alla meta, esso, rispondendo al principio di sovrapposizione, si troverà in uno stato che include entrambe le possibilità (percorso lungo e percorso breve) dicendosi quindi in stato di "sovrapposizione quantica" (quantum superposition ) di due differenti stati (quelli relativi all'essere arrivato alla meta prima oppure dopo). In questo particolare stato quantico, il fotone "riassume" i due percorsi possibili atraverso la sovrapposizione delle funzioni d'onda che descrivono rispettivamente i due stati (si veda l'infografica della NIST riportata qui di seguito). Nel caso le creste dell'onda coincidano, allora gli stati saranno "in fase"; se le creste dell'onda non coincidono, allora gli stati saranno "fuori fase".
I fotoni così generati sono filtrati attraverso uno speciale cristallo, capace di sdoppiare il singolo fotone in due fotoni identici: un fotone "aiutante" (helper) e un fotone "risultante" (output). I due fotoni sono entangled, ovvero sono caratterizzati dallo stesso identico stato quantico. Mentre il fotone risultante viene inviato lungo il cavo in fibra ottica appositamente preparato (compiendo così il suo percorso di 100 km), il fotone aiutante viene utilizzato per "leggerne" lo stato quantico. Per fare questo si genera un terzo fotone, detto di input, di cui si determina a priori lo stato: "in anticipo", "in ritardo" oppure una sovrapposizione di entrambi. Il fotone di input andrà a "incontrare" il fotone helper all'interno di uno beam splitter all'interno del quale ognuno dei due fotoni ha pari possibilità (il 50%) di passarci attraverso o di essere riflesso.
In uscita dallo splitter, i fotoni trovano due rilevatori: nel caso il segnale sia captato in istanti differenti, vuol dire che i fotoni sono in due stati differenti ("in anticipo" e "in ritardo" oppure, nel caso di sovrapposizione quantica, in stati opposti come ad esempio "in fase" e "fuori fase"). In questo modo è possibile risalire allo stato quantico del fotone helper che dovrà essere l'opposto di quello che è stato scelto per il fotone di input. Dato che il fotone risultante, quello che ha percorso i 100 km, condivide il medesimo stato quantico del fotone helper, per effetto del principio del collasso della funzione d'onda, anche il suo stato risulta così determinato.:
Questo procedimento ha dunque permesso il teletrasporto istantaneo dell'informazione contenuta nel fotone di input (per essere più precisi dell'informazione opposta) a una distanza di 100 chilometri.
Una lunga strada da compiere
Di tutti i fotoni transitati lungo la fibra ottica utilizzata nell'esperimento, solo l'1% è stato in grado di completare il percorso di 100 chilometri, questo perchè un singolo fotone rappresenta un segnale così debole da essere di difficilissima rilevazione con le attuali tecnologie a disposizione. Non solo: dal momento che gli scienziati statunitensi si sono concentrati su una combinazione molto precisa e limitata di stati quantici (il solo caso in cui il fotone di input possedeva un stato quantico opposto rispetto a quello, casuale, del fotone helper), il teletrasporto ha potuto dirsi concluso efficacemente solo nel 25% dei casi. Cionondimeno, grazie all'utilizzo di ricettori particolarmente efficaci, il teletrasporto dello stato quantico desiderato è stato positivamente registrato nell'83% del totale dei casi possibili.
