Spazio e Scienze

Teletrasporto quantistico, ma che diavolo è?

Qualche giorno fa abbiamo pubblicato un articolo in cui si dava notizia della maggior distanza mai raggiunta con il teletrasporto quantistico. Una pubblicazione che ha ottenuto un grande successo ma ha anche sollevato un notevole dibattito.

Da una parte alcuni lettori ci hanno segnalato alcune imprecisioni che abbiamo volentieri rettificato. Dall'altra però molti altri hanno espresso tanta curiosità quanta perplessità riguardo a quest'affascinante parte della meccanica quantistica (da qui in avanti MQ). Torniamo quindi sull'argomento cercando di proporvi alcuni chiarimenti; fermo restando che l'estrema sintesi potrebbe non soddisfare i più esperti sull'argomento.

Star Trek non c'entra

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La scelta del termine teletrasporto nel mondo della fisica forse non è stata particolarmente felice, perché quando si parla al grande pubblico è molto difficile allontanare l'immagine che ci siamo fatti con anni di fantascienza. Il modo in cui il capitano Kirk e compagni si spostano da un luogo all'altro, purtroppo, è ancora solo fantasia – e probabilmente lo resterà ancora molto a lungo. Accantonata la delusione, il termine teletrasporto in questo ambito ha una sua ragione di esistere.

L'Entanglement

Il teletrasporto quantistico è reso possibile dall'entanglement. Questo è un particolare legame tra due particelle (parleremo di fotoni da qui in avanti, ma viene discusso anche in biologia e altre discipline) che condividono lo stesso stato quantistico. Diciamo, per amore di semplicità, che lo stato quantistico di un fotone può essere rosso o blu. Allora una coppia AB di fotoni entangled potrà essere rosso/blu oppure blu/rosso.

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Fonte: xkcd

L'aspetto interessante è che, come il famoso gatto di Schrödinger, i fotoni in questione hanno tutti gli stati possibili allo stesso tempo; ognuno dei nostri due fotoni potrebbe essere rosso/blu o blu/rosso. Lo sono in effetti (il famoso gatto è vivo e morto allo stesso tempo): nel momento in cui osservo uno dei due fotoni per conoscerne lo stato, automaticamente conosco anche lo stato dell'altro – si dice che lo stato quantistico collassa. Dunque se osservando il fotone A scopro che è rosso, automaticamente saprò che il fotone B è blu. Era tutti e due fino a un attimo prima, e un attimo dopo entrambi hanno uno stato definito.

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Fonte: xkcd

Questo esempio è abbastanza semplice ma non è unicamente riferito alla MQ. Se usassi due palline (rossa e blu) e due giocatori, sarebbe comunque valido. Il punto è che in MQ abbiamo quella che si chiama sovrapposizione coerente di due o più stati; in meccanica classica una pallina è rossa oppure blu. In MQ può avere entrambi i colori allo stesso tempo.

E questo è vero qualsiasi sia la distanza tra i due fotoni. Potrebbe esserci in mezzo anche un'intera galassia, ammesso e non concesso che siamo riusciti a mantenere l'entanglement, che è un legame particolarmente delicato – perché le particelle coinvolte possono interagire con l'ambiente circostante. Questo particolare fenomeno è alla base di una disciplina nota come crittografia quantistica ed è usata anche per lo sviluppo dei computer quantistici.

Teletrasportare una particella

Diciamo che Alice è una ricercatrice nel laboratorio A, e Bob un suo collega nel laboratorio B. Hanno una coppia di fotoni (AB) legati da entanglement. Sono stati creati insieme nel laboratorio di Alice, poi Bob ne ha preso uno e se l'è portato via.

Quantum teleportation diagram PNG

Alice ha inoltre un terzo fotone, T, che desidera teletrasportare. Crea dunque un sistema speciale AT, con il fotone A e il fotone T; lo misura e ottiene un risultato. Dato che A era entangled con B, lo stato quantistico di quest'ultimo collassa istantaneamente.

Alice a questo punto può telefonare a Bob e informarlo dei suoi risultati; questa chiamata avviene con mezzi tradizionali, mai a velocità superluminali. Bob, una volta ricevute le informazioni da Alice, potrà agire in modo tale da replicare lo stato T misurato da Alice. In virtù del teorema del no-cloning (non si fanno copie di stati quantistici sconosciuti), poi, Alice ha perso il suo stato T.

Una volta che Bob ha completato il lavoro abbiamo una particella al laboratorio B che ha lo stesso stato quantistico che aveva la particella al laboratorio A. E questo è ciò che autorizza, in senso lato, a parlare di teletrasporto.

Tra l'altro questa scoperta ci ha anche permesso di comprendere ed espandere meglio l'idea di teletrasporto (e viaggio nel tempo) anche in ambito fantascientifico. Oggi è abbastanza comune, per quegli autori che vogliono sfruttare questa risorsa narrativa, considerare per vero il fatto che il soggetto viene ucciso e "disgregato" dalla macchina per poi essere ricomposto all'arrivo. Ciò che si ottiene è una copia "atomo per atomo", identica, con gli stessi ricordi e gli stessi pensieri. È un dettaglio su cui, comprensibilmente, un abile narratore può speculare parecchio.

Sbalorditivo

Dovrebbe risultare chiaro che nessuna particella è scomparsa per ricomparire altrove. Tuttavia è sbalorditivo che un'azione nel punto A abbia un effetto istantaneo nel punto B, nel momento in cui la misurazione di Alice fa collassare lo stato quantistico in B.

Si potrebbe rispondere che la particella B aveva già un suo stato definito prima della misurazione, e che semplicemente noi non sapevamo se siamo in grado di saperlo. Le prove sperimentali tuttavia smentiscono tale ipotesi.

Pauli e Einstein si sbagliavano. Le domande con cui Einstein ha attaccato la teoria quantistica hanno delle risposte; ma non sono le risposte che Einstein si aspettava. Oggi sappiamo di poter dimostrare che la Luna non è lì quando nessuno guarda.

David Mermin in Boojums All the Way through: Communicating Science in a Prosaic Age (2010).

Facendo un piccolo volo semantico, possiamo dire che ci sono effetti a distanza con effetto immediato, che tuttavia non esistono fino a che qualcuno non le guarda direttamente. Sono quelle che Einstein definì spooky actions at a distance, esprimendo la sua totale sfiducia verso la loro esistenza e spingendolo a creare il paradosso EPR con i colleghi Podolsky e Rosen. Non presuppongono la possibilità di comunicare a velocità superluminale, cioè più veloce della luce. Quel limite è ancora ben saldo e la Relatività non è in discussione.

Si ringraziano per la gentile collaborazione Giuliano Benenti, professore associato presso il Dipartimento di Scienza e Alta Tecnologia dell'Università degli Studi dell'Insubria e Fabio Cavaliere, ricercatore in fisica teorica della materia condensata presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Genova, per la consulenza offerta. 


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