Comunicazione quantistica

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1 Comunicazione quantistica Il teletrasporto quantistico prevede che sia possibile trasferire lo stato quantico di una particella (per esempio, lo stato di polarizzazione se si tratta di un fotone) a grandi distanze. Non è la particella in sé ad essere trasferita ma quella ricevente acquisisce esattamente lo stesso stato di polarizzazione di quella trasmittente. Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg vieta di conoscere con esattezza lo stato del fotone trasmesso, ma una proprietà detta correlazione non locale (in inglese: entanglement ) fa sì che questo non sia un problema per il teletrasporto.

2 IL TELETRASPORTO ALLA STAR TREK PREVEDE: la scomparsa di un oggetto da una posizione e la simultanea ricomparsa del medesimo oggetto in un'altra posizione dello spazio, senza dover percorrere noiosi chilometri intermedi e senza l'utilizzo di alcun veicolo.

3 Nelle storie di fantascienza Il teletrasporto consente di effettuare viaggi, senza alcun dubbio, più comodi rispetto a quelli effettuati con un ordinario veicolo spaziale, ma ciò comporta la violazione dei limiti di velocità imposti dalla teoria della relatività, secondo cui nulla può viaggiare più velocemente della luce. Nella fantascienza la procedura di teletrasporto varia da storia a storia ed in generale si svolge nel modo seguente: l l'oggetto originale da teletrasportare viene sottoposto ad una scansione per estrarre le informazioni necessarie a descriverlo. l Un trasmettitore trasferisce le informazioni ad una stazione ricevente che le utilizza per ottenere una replica esatta dell'originale. In alcuni casi, alla stazione ricevente, viene trasferita anche la materia che compone l'originale, sotto forma di qualche tipo di energia. In altri casi invece la replica dell'originale usa atomi e molecole già presenti nel luogo di arrivo.

4 Secondo la meccanica quantistica, un simile teletrasporto è impossibile anche in linea teorica difatti: il Principio di Indeterminazione di Heisenberg dichiara l'impossibilità di conoscere nello stesso momento, con precisione arbitraria, la posizione e la velocità di una particella. Una perfetta scansione dell'oggetto da teletrasportare implica la conoscenza, senza incertezze, della posizione e della velocità di ciascun atomo e di ciascun elettrone, quindi il teletrasporto è impossibile. Il Principio di Heisenberg inoltre si applica anche ad altre coppie di grandezze e ciò esprime l'impossibilità di misurare senza errore lo stato quantico di un oggetto. Tutte queste difficoltà, in Star Trek, sono superate dal prodigioso compensatore di Heisenberg".

5 MA Il sogno fantascientifico di proiettare oggetti da un luogo all'altro, oggi è una realtà, almeno per particelle di luce: i fotoni sebbene per gli oggetti macroscopici resti, per ora, ancora una fantasia.

6 IL TELETRASPORTO QUANTISTICO Definizione: Esso è una tecnica di comunicazione nell'ambito della Informatica Quantistica insieme di tecniche di calcolo e loro studio che utilizzano i QUANTI per memorizzare ed elaborare le informazioni. La tecnica del Teletrasporto Quantistico permette, sotto certe restrizioni, di: trasferire uno stato quantico ossia lo stato di polarizzazione dei fotoni, lo stato di spin degli elettroni o lo stato di eccitazione degli atomi, in un punto arbitrariamente lontano. L'effetto coinvolto è: L'ENTANGLEMENT QUANTISTICO

7 Si può dire che: con il Teletrasporto Quantistico non si ha un trasferimento alla Star Trek, ma è possibile, attraverso il fenomeno dell entanglement trasferire (istantaneamente) le caratteristiche (stati quantici) di fotoni, atomi, ioni, in altri fotoni, atomi, ioni posti a qualsiasi distanza.

8 L'ENTANGLEMENT QUANTISTICO L'entanglement quantistico venne ipotizzato per la prima volta nel 1926 da Erwin Schrödinger, che fu anche il primo ad introdurre nel 1935 il termine "entanglement" (letteralmente groviglio, intreccio). La correlazione quantistica o entanglement quantistico è un fenomeno quantistico, privo di analogo classico, in cui ogni stato quantico (es: polarizzazione dei fotoni, stato di spin degli elettroni) di un insieme di due o più sistemi fisici dipende dallo stato di ciascun sistema, anche se essi sono spazialmente separati. Tale fenomeno viene a volte reso in italiano con il termine "non-separabilità". Esso implica la presenza di correlazioni a distanza tra le quantità fisiche osservabili dei sistemi coinvolti, determinando il carattere non locale della teoria quantistica. Il fenomeno dell'entanglement viola dunque il principio di località per il quale ciò che accade in un luogo NON può influire immediatamente su ciò che accade in un altro. Albert Einstein, pur avendo dato importanti contributi alla teoria quantistica, non accettò mai che una particella potesse influenzarne un'altra istantaneamente. Egli pertanto cercò a lungo di dimostrare che la violazione della località fosse solo apparente, ma i suoi tentativi furono di volta in volta ribattuti dai suoi oppositori.

9 Nel 1982 il fisico Alain Aspect, con una serie di sofisticati esperimenti dimostrò l'esistenza dell entanglement e quindi l'inconsistenza della posizione di Einstein. Nell'Ottobre del 1998 il fenomeno dell entanglement fu definitivamente confermato dalla riuscita di un esperimento sul teletrasporto effettuato dall'institute of Technology (Caltech) di Pasadena, in California.

10 SAPERNE DI PIÙ SULL'ENTANGLEMENT Se due particelle interagiscono per un certo periodo di tempo e poi vengono separate, quando una delle due viene sollecitata, in modo tale da cambiare il suo stato, istantaneamente sulla seconda particella si manifesta una analoga sollecitazione, a qualunque distanza essa si trovi rispetto alla prima; in altri termini, anche la seconda particella modifica istantaneamente il suo stato. Tale fenomeno è detto "Entanglement". Un semplice esperimento sul fenomeno Entanglement : due particelle gemelle vengono lanciate in direzioni opposte. Se la particella 1, durante il suo tragitto, incontra un magnete che ne devia la direzione verso l alto, la particella 2, invece di continuare la sua traiettoria in linea retta, devia contemporaneamente la sua direzione, assumendo così un moto contrario alla sua gemella.

11 Questo esperimento dimostra che: 1. le particelle sono in grado di comunicare tra di loro trasmettendo ed elaborando informazioni. 2. la comunicazione è istantanea.

12 Il fisico Niels Bohr disse: "Tra due particelle [correlate] che si allontanano l'una dall'altra nello spazio, esiste una forma di azione - comunicazione permanente. [...] Anche se due fotoni si trovassero su due diverse galassie continuerebbero pur sempre a rimanere un unico ente..."

13 Gli esperimenti di Alain Aspect Nel 1982 Alain Aspect, con la collaborazione dei ricercatori J. Dalibard e G. Roger dell Istituto di Ottica dell Università di Parigi, dimostrò l'esistenza dell'entanglement, confermando così le ipotesi "non localistiche" della teoria quantistica. In figura è riportata una schematizzazione delle apparecchiature utilizzate da Aspect e dai suoi collaboratori durante gli esperimenti. Un atomo di calcio eccitato, al centro della figura, produce una coppia di fotoni correlati che si muovono lungo i percorsi A e B opposti:

14 lungo il percorso A viene, di tanto in tanto, inserito un cristallo birifrangente che funge da filtro. Quando il fotone interagisce con il cristallo, esso può, con una probabilità del 50 %, essere deviato oppure attraversare il cristallo proseguendo indisturbato per la sua strada. Alle estremità di ciascun tragitto, previsto per ciascun fotone, è posto un rivelatore di fotoni che ne permette la loro rilevazione. La cosa sorprendente che Aspect osservò fu che: nel momento in cui, lungo il percorso A, veniva inserito il cristallo birifrangente e si verificava una deviazione del fotone 1 verso il rivelatore c, anche il fotone 2 del percorso B (fotone separato e senza ostacoli davanti), "spontaneamente" ed istantaneamente, deviava verso il rivelatore d. Praticamente l atto di inserire il cristallo birifrangente, con la conseguente deviazione del fotone 1, faceva, istantaneamente e a distanza, deviare il fotone 2. Tutto ciò può sembrare strano, ma è quello che effettivamente accade quando si eseguono esperimenti su coppie di particelle correlate. Dunque l idea che particelle correlate, situate in luoghi distanti, rappresentino enti distinti, deve essere abbandonata.

15 In riferimento all unicità della materia che scaturisce dalla visione non localistica della teoria quantistica, così si esprime Brian Josephson, premio Nobel per la Fisica: "L universo non è una collezione di oggetti, ma una inseparabile rete di modelli di energia vibrante nei quali nessun componente ha realtà indipendente dal tutto: includendo nel tutto l osservatore".

16 RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DI UN PROCESSO DI TELETRASPORTO QUANTISTICO Fotone teletrasportato C Stazione trasmittente T A C B Stazione ricevente R C Fotone da teletrasportare A Fotoni entangled B Sorgente di fotoni entangled: Sorgente EPR L'entanglement è spesso indicato come "effetto EPR" dalle iniziali di Albert Einstein, Boris Podolski e Nathan Rosen, che nel 1935 ne analizzarono le conseguenze su particelle poste a grandi distanze. Le particelle coinvolte sono dette "coppie EPR.

17 BREVE DESCRIZIONE DEL PROCESSO DI TELETRASPORTO QUANTISTICO 1. Produzione di una coppia di fotoni A e B correlati o entangled mediante opportuno dispositivo. 2. Invio dei fotoni entangled A e B rispettivamente alla stazione trasmittente T ed alla stazione ricevente R. 3. Invio del fotone C, di cui si vuole teletrasportare lo stato di polarizzazione, alla stazione trasmittente T. 4. Interazione, alla postazione di partenza T, tra i fotoni A e C e misura sul sistema composto.

18 5. Simultaneo cambiamento, nel momento della misura, dello stato di polarizzazione del fotone B, alla stazione R. 6.Comunicazione alla stazione R, con mezzi classici (es: telefonata), del risultato della misura effettuata sul sistema composto AC. (La misura può dare uno tra quattro possibili risultati). 7.Modifica dello stato del fotone B in base alla informazione comunicata. Risultato Teletrasporto quantistico del fotone C ossia: ottenimento di un fotone con lo stesso stato di polarizzazione del fotone C senza effettuare alcuna misura su di esso.

19 Descrizione più dettagliata del processo di Teletrasporto Quantistico Amanda e Bert intendono teletrasportare il fotone C. Amanda si trova nella postazione T e Bert è nella postazione R. All inizio del processo ciascuno riceve un fotone di una coppia entangled: Amanda riceve il fotone A e Bert riceve il fotone B. Invece di effettuare una misura sui fotoni, sia Amanda che Bert conservano il proprio fotone senza disturbarne lo stato entangled. Amanda riceve un terzo fotone C che intende teletrasportare a Bert. In pratica Amanda, senza conoscere lo stato di polarizzazione del fotone C, vuole che Bert abbia un fotone con la stessa polarizzazione di C. Si badi che Amanda non può semplicemente misurare lo stato di polarizzazione del fotone C e comunicare il risultato a Bert poiché, per il principio d'indeterminazione, la misura non riprodurrebbe con esattezza lo stato originario del fotone. Per teletrasportare il fotone C, Amanda fa interagire A e C ed esegue una misura sul sistema composto, senza determinare, in termini assoluti, le singole polarizzazioni dei due fotoni. La misura può dare uno tra 4 possibili risultati.

20 In termini tecnici, una misurazione congiunta di questo tipo è chiamata misurazione dello stato di Bell ed ha un effetto particolare: induce istantaneamente un cambiamento nel fotone di Bert, correlandolo al risultato della misura effettuata da Amanda ed allo stato che il fotone C aveva originariamente. Per completare il teletrasporto, Amanda deve inviare a Bert un messaggio con metodi convenzionali (una telefonata o un appunto scritto). Dopo aver ricevuto questo messaggio, Bert, se necessario, può trasformare il suo fotone B in modo da renderlo una replica esatta del fotone C originale. La trasformazione che Bert deve applicare dipende dal risultato della misurazione di Amanda. Quale dei quattro possibili risultati ottenga Amanda è frutto del caso. Bert dunque non sa come modificare il suo fotone finché non riceve da Amanda il risultato della misurazione. Dopo questa trasformazione il fotone di Bert è nello stesso stato del fotone C.

21 Ciò che viene teletrasportato quindi non è il fotone ma il suo stato di polarizzazione o, più in generale, il suo stato quantico. Tuttavia poiché lo stato quantico è una caratteristica peculiare di una particella, teletrasportare lo stato quantico è come teletrasportare la particella stessa. E' importante osservare che: la misura che esegue Amanda accoppia il fotone A al fotone C. Il fotone C perde così tutta la "memoria" del suo stato originario. Lo stato originario del fotone C, dopo la misurazione, scompare dunque dal luogo in cui si trova Amanda. Il risultato della misura di Amanda, essendo del tutto casuale, non dice nulla sullo stato quantico. In questo modo il processo aggira il Principio di Indeterminazione di Heisenberg che non consente la completa determinazione dello stato di una particella ma permette il teletrasporto dello stato, purché non si cerchi di conoscere quale esso sia. Il trasferimento dello stato del fotone C è avvenuto senza che né Amanda né Bert sapessero nulla di esso.

22 Inoltre, l'informazione quantistica teletrasportata non viaggia materialmente. Ciò che viene trasferito, in realtà, è solo il messaggio sul risultato della misurazione di Amanda che dice a Bert come modificare il suo fotone, senza alcuna indicazione sullo stato del fotone C. In uno dei quattro casi, la misura effettuata da Amanda è fortunata ed il fotone di Bert diventa immediatamente una replica esatta del fotone originale C. In questo caso può sembrare che l'informazione viaggi istantaneamente da Amanda a Bert, infrangendo il limite imposto da Einstein. In verità, Bert non ha alcun modo di sapere che il suo fotone è già una replica dell'originale. Solo quando egli apprende il risultato della misurazione dello stato di Bell, effettuata da Amanda ed a lui trasmessa per via classica, egli può sfruttare l'informazione nello stato quantico teletrasportato.

23 CONCLUSIONI Siamo ancora lontani dal teletrasporto di un oggetto di grandi dimensioni. I problemi fondamentali sono due: l occorrono due oggetti dello stesso tipo accoppiati; l l'oggetto da teletrasportare e la coppia devono essere sufficientemente isolati dall'ambiente. Se una qualunque informazione viene scambiata con l'ambiente, mediante un'interazione fortuita, lo stato quantico dell'oggetto si degrada in un processo chiamato "decoerenza". E' difficile immaginare come si possa raggiungere questo assoluto isolamento per un corpo di dimensioni macroscopiche, per non parlare di un essere vivente che respira aria e scambia calore con l'esterno. Ma chi può prevedere gli sviluppi futuri? Certamente potremmo usare la tecnologia esistente per teletrasportare stati elementari, come quelli dei fotoni su distanze di pochi chilometri e forse anche fino a satelliti. La tecnologia per teletrasportare gli stati di singoli atomi è oggi alla nostra portata, come ha dimostrato il gruppo guidato da Serge Haroche dell'ecole Normale Supèrieure di Parigi realizzando l'accoppiamento di atomi. L'accoppiamento di molecole ed il loro teletrasporto possono essere ragionevolmente previsti entro il prossimo decennio. Che cosa succederà poi, nessuno lo sa.

24 Il Teletrasporto Quantistico dal 1997 ad oggi I primi esperimenti di teletrasporto quantistico sono stati effettuati tra il 1993 ed il 1997, da due gruppi di ricerca internazionali, diretti rispettivamente da Francesco De Martini dell Università La Sapienza di Roma e da Anton Zeilinger dell'istituto di Fisica Sperimentale di Vienna. Essi riuscirono a teletrasportare lo stato quantico di un fotone. Nel 2004: l De Martini effettuò un teletrasporto di fotoni da una parte all altra del Danubio, ricoprendo una distanza di 600 metri. l due gruppi di scienziati, uno del National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti ed uno della Università di Innsbruck in Austria, riuscirono per la prima volta a teletrasportare alcune proprietà degli atomi. Gli Americani lavorarono con atomi di berillio mentre gli Austriaci utilizzarono atomi di calcio.

25 Nel 2006: alcuni ricercatori dell'istituto Niels Bohr di Copenhagen teletrasportarono uno stato collettivo da un gruppo di circa un trilione di atomi ad un altro. Il teletrasporto applicato agli atomi, cioè alla materia, è un processo molto fragile rispetto a quello applicato ai fotoni, a causa del processo di decoerenza che, per colpa delle interazioni con l ambiente, distrugge gli effetti quantistici, entanglement compreso. Nel 2010: in Cina, i ricercatori dell Hefei National Laboratory for Physical Sciences raggiunsero 16km nel teletrasporto di fotoni senza l aiuto di fibre ottiche.

26 Nel 2012: l un gruppo di ricercatori riuscì a teletrasportare l informazione relativa ad un complesso sistema di circa 100 milioni di atomi di rubidio che aveva una grandezza di circa un millimetro. Lo studio fu condotto da Jian-Wei Pan dell Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, a cui collaborò un gruppo di ricercatori della University of Science and Technology in China e dell Università di Heidelberg. Per il teletrasporto gli scienziati prepararono in laboratorio una coppia entangled di granelli di rubidio. I granelli entangled furono posti a circa mezzo metro di distanza ed i due sistemi furono poi messi in collegamento da una fibra ottica, lunga circa 150 metri ed arrotolata su sé stessa. Prima del processo di teletrasporto quantistico, gli scienziati mapparono lo stato di eccitazione degli atomi di rubidio in un fotone che doveva viaggiare lungo la fibra ottica. Fu possibile realizzare il teletrasporto facendo interagire il fotone messaggero con un altro fotone e con il secondo sistema di atomi.

27 Nel 2012: l Il team di ricercatori della University of Science and Technology of China di Shanghai, riuscì a teletrasportare più di 1100 fotoni in 4 ore, ricoprendo una distanza di 97Km di spazio libero, stabilendo così un nuovo record e superando la distanza di 16km raggiunta nel precedente esperimento del l Il team di ricerca dell'optical Ground Station dell'agenzia Spaziale Europea (ESA) alle Canarie stabilì un nuovo record mondiale di distanza nel teletrasporto quantistico, riproducendo le caratteristiche di una particella di luce alla distanza di 143km (tra il Jacobus Kapteyn Telescope di La Palma e la Stazione ottica dell'esa di Tenerife).

28 Nel 2013: Un gruppo di fisici del centro di ricerca Quantop al Niels Bohr Institute della University of Copenhagen è riuscito a teletrasportare informazioni tra due nubi di atomi di gas di cesio poste ad una distanza di mezzo metro. Il teletrasporto di informazioni da una nube all'altra è avvenuto per mezzo di luce laser, ciascuna nube è stata posta in un contenitore di vetro ed i due contenitori non sono stati in alcun modo collegati.

29 Si prevede che il prossimo esperimento di teletrasporto consisterà in un teletrasporto quantistico tra la Terra ed un satellite in orbita terrestre.

30 Applicazioni del Teletrasporto Quantistico Realizzazione di computer e reti quantistiche estremamente più potenti e più veloci degli attuali computer e reti classiche. Scambi di informazioni sicure al 100%. Difatti: fra la stazione di invio e quella di ricezione, viene scambiato solo un segnale classico che non permette ad un estraneo, che lo intercetti, di risalire all'informazione, sotto forma di stato quantico, che si sta teletrasportando. Sogno del teletrasporto alla Star Trek

31 Approfondimenti: La non separabilità quantistica Entanglement (un libro su questo misterioso fenomeno fisico) Nuova conferma per l entanglement Teletrasporto: E per saperne ancora di più:

32 QUBIT E COMPUTER QUANTISTICI Il BIT (binary digit) è l unità di informazione classica. Il QUBIT o bit quantistico (quantum binary digit) è l unità di informazione quantistica.

33 I classici bit operano su codice binario e possono codificare solo un valore alla volta: 0 o 1. I qubit basano l elaborazione dell informazione sulle leggi della meccanica quantistica e per il principio della sovrapposizione quantistica, ovvero l idea che un oggetto possa esistere in più stati allo stesso tempo, possono assumere contemporaneamente lo stato 0 e 1.

34 In un sistema classico un bit di informazione può essere rappresentato, per esempio, dalla tensione applicata alle armature di un condensatore: il condensatore carico denota il bit 1 e quello non carico il bit 0. Quantisticamente, un bit d'informazione può essere codificato usando un sistema a due livelli, come per esempio: gli stati di spin di un elettrone, le due polarizzazioni della luce.

35 Cosa è un computer quantistico? I presupposti per la realizzazione di computer quantistici e di reti quantistiche, capaci di offrire migliori prestazioni in velocità e potenza di calcolo, sono forniti dal TELETRASPORTO QUANTISTICO ossia, il fenomeno di teletrasporto dei qubit, realizzabile tramite il fenomeno quantistico dell'entanglement.

36 In un computer quantistico le informazioni sono registrate nei qubit anziché salvate nei bit come avviene invece in un computer classico.

37 Quanta informazione può contenere un QUBIT? In pratica un Qubit non può contenere più informazione di un bit classico, poiché esso assume valore 0 o 1 nel momento in cui l informazione viene processata. Un computer quantistico, a livello di informazione immagazzinata, non presenta dunque vantaggi rispetto agli attuali computer. Il vantaggio di un computer quantistico consiste invece in un aumento esponenziale della capacità di calcolo.

38 Un processore quantistico in grado di operare su N Qubit, ha la potenza di calcolo di un processore classico che opera su 2 N bit. I computer quantistici sono dunque in grado di gestire in pochissimi minuti enormi flussi di dati.

39 DIFFICOLTÀ TECNOLOGICHE Le difficoltà tecnologiche da superare per realizzare un computer quantistico sono molte. Una di queste è la decoerenza In altri termini, l inevitabile interazione con l ambiente esterno distruggerebbe in tempi brevissimi la coerenza quantistica, cioè l informazione contenuta nel calcolatore quantistico. Allo stato attuale sono in esame proposte diverse per costruire un computer quantistico (risonanza magnetica nucleare, trappole ioniche, sistemi ottici, circuiti superconduttori etc.), ma non è ancora chiaro quale possa essere la strada con maggiori probabilità di successo.

40 Saperne di più su QUBIT e Computer Quantistici La prima memoria quantistica: QUBIT e Computers Quantistici: