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Teletrasporto quantistico su fibra ottica, nuovo record

La fisica quantistica si può tradurre anche in una forma di comunicazione supersicura che prende il nome di teletrasporto quantistico. Non ha nulla a che vedere con Star Trek, ma ha comunque il potenziale per cambiare il mondo.

È stato stabilito un nuovo record di teletrasporto quantistico, con il trasferimento di informazione su sette chilometri di fibra ottica. Ci sono riuscite due diverse squadre di ricercatori: quella di Wolfgang Tittel dell'Università di Calgary (Canada) e quella di Jian-Wei Pan dell'Università delle Scienza e della Tecnologia della Cina. Il risultato dei due esperimenti è simile, ma l'approccio diverso e riguarda due differenti obiettivi.

In particolare, il team canadese è riuscito a effettuare un trasferimento su 6,2 Km di fibra ottica. Quello cinese, invece, ha realizzato una rete quantistica lunga oltre 30 chilometri, che potrebbe rappresentare la base di una struttura quantistica da usare in contesti urbani.  Entrambi gli esperimenti hanno infatti dimostrato una notevole resistenza alle interferenze esterne.

La nostra dimostrazione stabilisce un prerequisito importante per le comunicazioni basate su ripetitori quantistici e costituisce una pietra miliare verso una internet quantistica globale.

In entrambi i casi si tratta di una svolta determinante, che rende molto più concreta l'idea di usare sistemi crittografici quantistici nelle tecnologie di ogni giorno – le comunicazioni bancarie sono tra quelle che più di tutte gioverebbero da questa tecnologia.

Il nostro esperimento segna un passo determinante verso la realizzazione di una internet quantistica nel mondo reale.

Qualcuno ricorderà però che in passato si sono toccate distanza ben maggiori, e si è anche arrivati a oltre 100 chilometri su fibra ottica usando nanofili superconduttori. La novità rilevante in questo caso è che il trasferimento è avvenuto su fibra ottica. Quindi su un'infrastruttura che si può effettivamente utilizzare tra una città e l'altra.

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I tre punti chiave dell'esperimento canadese

Non è facile comprendere che cosa sia il teletrasporto quantistico, ma una prima affermazione valida è che non ha niente a che vedere con Star Trek o altri prodotti di fantascienza. In questo caso si tratta di trasferire solo informazioni: ne siamo tutti profondamente dispiaciuti, ma questo non rende i due esperimenti meno affascinanti.

Il quantum teleport in effetti riguarda l'uso di atomi o particelle subatomiche (fotoni) legate tra loro a coppie tramite un vincolo che risponde al nome di entanglement quantistico. È uno stato molto particolare delle particelle che permette comunicazioni velocissime. Se la pagina di Wikipedia vi risulta troppo astrusa non crucciatevi: lo stesso Einstein ci si fece venire il mal di testa ed ebbe a discutere con diversi colleghi a riguardo.

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Network quantistico

Dunque abbiamo due particelle legate tra loro tramite entanglement. Ciò significa che anche separandole tra loro a grande distanza, è teoricamente possibile trasferire informazioni tra l'una e l'altra in modo istantaneo. In teoria (non in pratica, come vedremo) l'informazione può anche superare la velocità della luce – fu questo particolare in effetti a sollevare un acceso dibattito tra Einstein e alcuni suoi illustri colleghi (Niels Bohr in particolare). Il famoso scienziato tedesco arrivò a formulare il famoso paradosso EPR (dal suo nome e di altri due colleghi) per dimostrare l'assurdità dell'entanglement.

Come funziona?

Prendiamo due particelle e le posizioniamo ai due estremi del canale di comunicazione, diciamo alla scrivania di Aldo (A) e Beppe (B), in due diverse città. Le due postazioni sono unite da fibra ottica. Una particella con un determinato stato quantistico parte da A diretta verso B.

Si usa la fibra ottica o un altro mezzo di trasporto classico per veicolare tradizionali bit, che si porteranno "in spalletta" l'informazione quantistica (il qubit) – un dettaglio necessario che tra l'altro spiega perché non si possono raggiungere velocità superiori a quella della luce.

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Immagine: Wikipedia

A questo punto, verrebbe da obiettare che si tratta di un trasporto normale (con massa): il fatto è non si muove alcuna particella quantistica, ma solo la relativa informazione. E ancora una volta va ricordato che il termine è solo mutuato dalla fantascienza, ma non indica affatto la stessa cosa.

All'ufficio di Aldo c'è anche uno strumento che misura la coppia EPR (dal nome del citato paradosso) della particella A e di un'altra che arriva a B. Tale misurazione determina lo stato quantistico del qubit che si vuole trasportare. Questa misurazione può generare uno di quattro possibili risultati; l'informazione può poi essere trasportata in modo classico usando 2 bit, lungo la fibra ottica verso l'ufficio di Beppe.

Il canale EPR è quello quantistico, in contrapposizione a quello classico rappresentato dalla fibra ottica.

Qui le cose di fanno un po' più complicate: l'informazione quantistica è stata misurata in A, eppure è la misurazione stessa ad aver determinato l'informazione da inviare – può aiutare ripensare al famoso gatto vivo e morto allo stesso tempo. Il risultato della misurazione è noto anche a B, dove è presente una particella con l'informazione quantistica di controllo.

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L'informazione quantistica non è umanoide

Quando l'informazione arriva a B si modifica di nuovo e assume lo stesso valore quantistico inizialmente inserito nel sistema e la comunicazione è completa.

Perché è più sicuro

Alcuni scienziati lavorano intensamente al teletrasporto quantistico perché si ritiene che possa rendere possibili trasmissioni con un altissimo livello di sicurezza. Una garanzia che è insita proprio nella natura dell'informazione quantistica, che non si può né clonare né cancellare.

In altre parole, se qualcuno dovesse intercettare la comunicazione non potrebbe copiarla a insaputa di Aldo e Beppe. L'informazione quantistica viene alterata se qualcuno la misura, quindi l'intrusione sarebbe presto svelata – ed è proprio questo l'aspetto interessante.

I due esperimenti citati sono rilevanti, infine, perché hanno dimostrato l'applicabilità di questa tecnica su una "strada" (la fibra ottica) che già esiste ed è già utilizzabile. Fino ad ora invece ci si era riusciti, anche a distanze superiori, solo con tecniche non facilmente replicabili in contesti reali.