Il teletrasporto quantistico e il Nobel per la Fisica

Il Nobel per la Fisica 2022 è stato assegnato a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger, pionieri dell’informazione quantistica, “per esperimenti con fotoni entangled, stabilendo la violazione delle disuguaglianze di Bell e aprendo la strada alla scienza dell’informazione quantistica”. I loro esperimenti pionieristici nella scienza dell’informazione quantistica potrebbero rivoluzionare l’informatica, la crittografia e il trasferimento di informazioni attraverso il cosiddetto teletrasporto quantistico.

I tre fisici sono John F. Clauser, 79 anni, di Walnut Creek in California, Alain Aspect, 75 anni, dell’Université Paris-Saclay e dell’École Polytechnique in Francia, e Anton Zeilinger, 77 anni, dell’Università di Vienna.

I fisici onorati dell’insigne premio, hanno trovato modi sperimentali per confermare ciò che era stato precedentemente teorizzato, incluso l’entanglement dei fotoni (particelle di luce) in un fenomeno che Albert Einstein ha notoriamente definito come “azione spettrale a distanza”.

Perché ci interessa l’entanglement?

Come accennato in “I cinque Postulati della Meccanica Quantistica” e “I sette Concetti Base della Meccanica Quantistica”, esistono una serie di effetti caratteristici della Meccanica Quantistica che non hanno alcuna corrispondenza nella Meccanica Classica.

L’entanglement è uno di questi e deriva direttamente dal principio di sovrapposizione, in cui due o più particelle formano un nuovo sistema, più ampio di quelli iniziali, il cui stato quantico (ovvero quella cosa che caratterizza il mio sistema) è rappresentato da una combinazione dei loro singoli stati. Una successiva misura di un’osservabile di un sistema determina simultaneamente anche il valore della stessa osservabile degli altri sistemi. Questo comporta la presenza di correlazioni a distanza tra questi sistemi legati.

In altre parole parto da due sistemi diversi, li “sovrappongo” e ne creo uno nuovo. Ora quando misuro qualcosa di uno dei due sistemi legati, allora anche l’altro sistema muterà in maniera correlata. Questo perché quando si misura un’osservabile di un sistema quantistico, l’atto della misura va a cambiare l’osservabile che si sta misurando!

Inoltre, siccome lo stato di sovrapposizione quantistica è indipendente da una separazione spaziale, potremmo riuscire a modificare lo stato di un sistema molto lontano in maniera istantanea.

Utilizzando strumenti avanzati e lunghe serie di esperimenti, Anton Zeilinger iniziò a utilizzare stati quantistici entangled. Tra le altre cose, il suo gruppo di ricerca ha dimostrato un fenomeno chiamato teletrasporto quantistico, che consente di spostare uno stato quantistico da una particella a un’altra da essa distante (fenomeno con notevoli conseguenze e applicazioni che andremo ad analizzare in seguito).

Questo singolare e controverso risultato è quello predetto dall’attuale approccio probabilistico della meccanica quantistica. A quest’approccio probabilistico se ne è sempre contrapposto un altro deterministico che si basa su delle variabili nascoste.

Il fallimento delle “variabili nascoste” e la disuguaglianza di Bell

Bisogna infatti ricordare che la teoria delle variabili nascoste nasce in contrapposizione con l’approccio probabilistico della meccanica quantistica, questo perché si pensava che la meccanica quantistica, per il suo carattere ontologicamente probabilistico, sia una teoria incompleta. Tesi avallata dallo stesso Einstein nella famosa frase “Dio non gioca a dadi”, perché strenuamente convinto che una qualsiasi teoria fisica dovesse essere in grado di descrivere tutti gli elementi di realtà e che, pertanto, la meccanica quantistica fosse una parte di una teoria deterministica più fondamentale.

Quindi nasce spontanea la domanda… Come riesco a capire quale delle due visioni sia corretta? Questa è la stessa domanda che Clauser e Aspect si sono posti e a cui hanno risposto tramite degli esperimenti. Lo scopo di questi esperimenti è verificare se la natura possa essere descritta dalla teoria locale delle variabili nascoste, che quindi contraddirebbe le previsioni della meccanica quantistica.

Questa eventuale contraddizione dovrebbe essere in qualche modo formalizzabile e misurabile. Si può vedere come vi sia una disuguaglianza, detta “di Bell”, che non dovrebbe essere infranta nel caso in cui esistessero queste ipotetiche variabili nascoste.

Questa disuguaglianza deriva dal teorema di Bell e afferma che, se ci sono delle variabili nascoste a noi oggi sconosciute ma dalle quali dipendono i fenomeni della meccanica quantistica, la correlazione tra i risultati di un gran numero di misure non supererà mai un certo valore. Tuttavia, la meccanica quantistica, di stampo probabilistico, prevede che un certo tipo di esperimento violerà la disuguaglianza di Bell, risultando così in una correlazione che supera quel certo valore.

John Clauser ha dunque sviluppato le idee di John Bell, portandole ad un esperimento pratico. Quando ha effettuato le misure, queste hanno supportato le previsioni teoriche della meccanica quantistica violando chiaramente la disuguaglianza di Bell. Ciò significa che la meccanica quantistica non può essere sostituita da una teoria che utilizza queste suddette variabili nascoste.

Alcune incertezze sono rimaste dopo l’esperimento di John Clauser. Alain Aspect ha sviluppato una nuova configurazione, utilizzandola in un modo tale da risolvere un’importante incertezza. È stato in grado di cambiare le impostazioni di misura dopo che una coppia legata aveva lasciato la sua sorgente, cosicché l’impostazione esistente al momento dell’emissione non poteva influire sul risultato.

Applicazioni

L’entanglement ha molte applicazioni nella teoria dell’informazione quantistica, che è in gran parte un’estensione della teoria dell’informazione classica ai sistemi quantistici. Basti pensare all’entropia di Von Neumann per l’informazione quantistica come un’estensione di quella di Shannon per l’informazione classica che, nel caso di Von Neumann, viene prodotta quando si effettuano misure di sistemi quantistici.

Con l’aiuto dell’entanglement, possono essere raggiunti compiti altrimenti impossibili. Compiti possibili principalmente grazie alle due principali applicazioni dell’entanglement: la codifica superdensa e il teletrasporto quantistico.

La codifica superdensa è un protocollo di comunicazione quantistica usato per comunicare un certo numero di bit classici di informazione trasmettendo un numero inferiore di qubit (bit quantistici), questo è possibile solo presupponendo che mittente e destinatario condividano una risorsa entangled.

Il teletrasporto quantistico, ben analizzato da Anton Zeilinger, è una tecnica che permette di trasferire uno stato quantistico in un punto arbitrariamente lontano. Questo è possibile proprio grazie al fenomeno dell’entanglement.

Per evitare speculazioni alla Star Trek, bisogna specificare due importanti fatti:

• il teletrasporto quantistico non trasmette informazione: infatti attraverso questa tecnica è solamente possibile trasferire uno stato generico da un mittente a un destinatario, ma nessuno dei due conoscerà le ampiezze in gioco;
• il teletrasporto quantistico non è istantaneo: per poter ricostruire lo stato iniziale, il destinatario deve conoscere il risultato della misura effettuata dal mittente, questo viene trasmesso mediante un canale di comunicazione “classico”, perciò il segnale non può viaggiare a velocità superiore di quella della luce nel vuoto, in accordo con la relatività speciale.

La maggior parte dei ricercatori ritiene inoltre che l’entanglement sia un fenomeno necessario per una corretta implementazione del calcolo quantistico, anche se la sua necessità o meno è ancora oggetto di discussione.

Un’altra possibilità legata a quest’effetto è quella di usarlo nei protocolli di crittografia quantistica. In questo caso si utilizzano peculiari proprietà della meccanica quantistica nella fase dello scambio della chiave di decrittazione, per evitare che questa possa essere intercettata senza che le due parti in gioco se ne accorgano.

Le possibilità di applicazione dell’informazione quantistica sono numerosi e in costante aumento, ma è solo grazie ai numerosi contributi della comunità scientifica che tali possibilità esistono e si concretizzano. Ad esempio, senza il contributo dei tre scienziati premiati, non avremmo dimostrato come sia possibile studiare e controllare particelle che si trovano in uno stato di entanglement, anche se separate da grandi distanze.