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Immaginate di poter trasferire istantaneamente lo stato di una particella di luce a un’altra, senza che viaggino nello spazio e senza cavi. Questo non è fantascienza, è teletrasporto quantistico. Un team di fisici dell’Università di Stoccarda ha realizzato il primo teletrasporto tra fotoni generati in punti completamente separati, utilizzando minuscoli cristalli semiconduttori collegati da un breve tratto di fibra ottica.
Il primo teletrasporto tra fotoni da sorgenti indipendenti è un passo decisivo verso la costruzione di una rete quantistica globale. La rete potrebbe rendere le comunicazioni digitali non soltanto più veloci, ma inviolabili. Con i computer quantistici che minacciano di rendere obsolete le attuali chiavi crittografiche, questa tecnologia potrebbe diventare il fondamento di un nuovo internet sicuro e distribuito, basato sulle leggi più profonde della fisica.
Indice
Primo teletrasporto tra fotoni in un minuto
Per la prima volta, scienziati dell’Università di Stoccarda hanno teletrasportato informazioni quantistiche tra due fotoni generati da sorgenti indipendenti—minuscoli punti quantici semiconduttori—collegati da fibra ottica. Utilizzando entanglement e misurazioni congiunte, hanno trasferito lo stato di polarizzazione di un fotone a un altro, con una fedeltà del 72%, ben oltre i limiti classici.
Questo esperimento dimostra che il teletrasporto quantistico può funzionare tra dispositivi separati, un requisito fondamentale per una futura Internet quantistica sicura, capace di collegare computer e sensori in modo inviolabile grazie alle leggi della fisica, non a complessi algoritmi matematici.
Il principio del teletrasporto quantistico
Nel mondo quantistico non si può semplicemente copiare un’informazione. Il principio di non clonazione vieta di duplicare uno stato quantistico sconosciuto. Il teletrasporto aggira questa regola senza spostare la particella, ma sfruttando l’entanglement, un legame così forte tra due particelle che misurando una si determina istantaneamente lo stato dell’altra, anche a migliaia di chilometri di distanza.
Negli esperimenti precedenti, i fotoni teletrasportati provenivano quasi sempre dalla stessa sorgente, rendendo difficile immaginare reti su larga scala. La vera novità di questo esperimento, guidato da Tim Strobel, è collegare fotoni nati in due punti quantici distinti. I punti quantici sono nanocristalli semiconduttori che emettono singoli fotoni. Questa dimostrazione prova che il teletrasporto può funzionare tra componenti indipendenti, come richiederebbe un’infrastruttura reale di comunicazione quantistica.
I punti quantici come sorgenti di luce controllata
Ogni punto quantico è un’isola grande pochi nanometri, in cui gli elettroni intrappolati emettono luce a energie precise. I dispositivi generano fotoni singoli o coppie entangled su richiesta, una caratteristica essenziale per le reti quantistiche.
Collegare questi punti quantici pone però una sfida significativa. Ogni cristallo ha differenze nella frequenza di emissione, dovute a imperfezioni atomiche o rumore ambientale. I ricercatori hanno superato questo ostacolo fabbricando coppie di punti quantici con emissioni quasi identiche.
Successivamente, hanno utilizzato un convertitore di frequenza quantistica, un dispositivo in grado di modificare la lunghezza d’onda della luce senza alterare lo stato quantico. Il convertitore ha allineato perfettamente i colori dei fotoni, portandoli a una lunghezza d’onda infrarossa standard di 1550 nanometri, la misura ottimale per viaggiare nelle fibre ottiche esistenti.
L’esperimento nel laboratorio di Stoccarda
Nel laboratorio, un fotone messaggero è stato inviato da un primo punto quantico, mentre un secondo punto ha generato una coppia entangled. Uno dei due fotoni della coppia è stato fatto incontrare il messaggero in un divisore di fascio, dove i loro stati hanno interferito tra loro.
Rilevatori sensibili hanno eseguito una misurazione di Bell, un test che quando ha successo proietta istantaneamente lo stato del fotone messaggero sull’altro fotone della coppia. Questo secondo fotone non aveva mai incontrato la sorgente originale del messaggero.
Il risultato ha raggiunto una fedeltà del 72 per cento, ben oltre il limite classico del 66 per cento. Questo significa che il teletrasporto non è solo avvenuto, ma è avvenuto in modo verificabilmente quantistico.
Dalla ricerca verso reti quantistiche su larga scala
La distanza tra le due sorgenti era modesta, soltanto dieci metri di fibra, tuttavia la configurazione dell’esperimento è progettata per essere scalabile. I ricercatori hanno già dimostrato in passato che i fotoni da punti quantici possono viaggiare per 35 chilometri di fibra cittadina senza perdere le loro proprietà quantistiche.
Il prossimo obiettivo consiste nell’integrare ripetitori quantistici, nodi capaci di rigenerare l’entanglement lungo tratte più lunghe, superando la perdita di segnale che affligge le fibre standard.
I punti quantici sono particolarmente promettenti perché possono essere integrati su chip, controllati con laser di uso comune e collegati direttamente all’infrastruttura di telecomunicazione esistente. Le caratteristiche li rendono candidati ideali per una futura Internet quantistica, dove computer, sensori e memorie potranno scambiare informazioni in modo sicuro e coordinato.
La sicurezza nel teletrasporto quantistico
In una rete quantistica, ogni tentativo di intercettare una chiave crittografica lascerebbe tracce evidenti, perché misurare uno stato quantistico lo altera inevitabilmente. Il teletrasporto affidabile tra sorgenti indipendenti è quindi molto più di un esercizio di fisica teorica.
Rappresenta il mattoncino fondamentale per costruire un sistema di sicurezza che non dipenda da algoritmi matematici, bensì dalle leggi della natura stessa. Mentre i computer quantistici avanzano, il mondo ha urgente bisogno di nuovi paradigmi di protezione per le comunicazioni digitali.
Grazie a un esperimento nato tra due minuscoli cristalli in un laboratorio tedesco, il futuro della crittografia quantistica e del teletrasporto quantistico non sembra più così lontano. La realizzazione del primo teletrasporto tra fotoni da sorgenti diverse apre la strada verso una nuova era di comunicazioni quantistiche sicure e inviolabili.
Fonte:
- Lo studio è pubblicato su Nature.
- Credito immagine: Julian Maisch.
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