fotoni

Cento anni di relatività generale.

Lo stato di polarizzazione di un fotone è stato teletrasportato dall’isola di La Palma a quella di Tenerife, nell’arcipelago delle Canarie, su una distanza di 143 chilometri. Un secondo esperimento simile ha sfruttato invece il momento angolare di quanti di luce riuscendo a mantenere uno stato di entanglement attraverso tre chilometri di atmosfera turbolenta della città di Vienna(red)

Il teletrasporto quantistico

fisica delle particelle
fisica teorica
L’entanglement tra due particelle, ovvero la correlazione tra stati quantistici alla base dei tanti esperimenti di teletrasporto effettuati negli ultimi decenni, può essere mantenuto anche su lunghe distanze, come quella che separa le isole di La Palma e di Tenerife, nell’arcipelago delle Canarie, oppure attraverso l’atmosfera turbolenta di una città come Vienna. È quanto hanno dimostrato due diversi studi ora pubblicati sui “Proceedings of the National Academy of Sciences” dal gruppo di Anton Zeilinger, dell’Università di Vienna, uno dei pionieri delle ricerche in questo campo.

L’entanglement è un peculiare fenomeno previsto dalle leggi della meccanica quantistica: si tratta di una correlazione tra due particelle che viene stabilita con un’opportuna preparazione e che permette alle particelle entangled tra loro di comunicare istantaneamente, anche a una distanza arbitraria, in linea di principio. Una volta stabilito l’entanglement, se si effettua una misurazione su una delle due particelle, il suo stato quantistico “collassa”, fornendo uno specifico valore, e facendo collassare istantaneamente anche lo stato della particella entangled, a qualsiasi distanza si trovi dalla compagna.

Il teletrasporto non teme distanze né turbolenze atmosferiche
Illustrazione dello scambio d’informazione tra due coppie di particelle (Wikimedia Commons)
Questo fenomeno costituisce la base del funzionamento dei futuri computer quantistici, in cui l’entanglement potrebbe essere sfruttato per far comunicare tra loro i qubit, le unità d’informazione quantistica che sostituirebbero gli attuali bit. Per arrivare a questo obiettivo è necessario stabilire un entanglement tra particelle lontane che fino a quel momento non hanno mai interagito tra loro, grazie a una tecnica di scambio di entanglement (entanglement swapping) messa a punto nel 2007 dal gruppo di Matthäus Halder all’Università di Ginevra con i fotoni, i quanti di luce. In particolare, nel caso dei fotoni, a essere entangled
sono gli stati di polarizzazione, cioè le direzioni di oscillazione dell’onda di luce associata al fotone.

Per ottenere lo scambio di entanglement, occorrono due coppie di fotoni tra loro entangled, chiamiamole 0-1 e 2-3, tra loro indipendenti, emesse da sorgenti autonome. Su un fotone di ciascuna coppia, per esempio 1 e 2, si effettua una particolare misurazione congiunta, chiamata misurazione di Bell, che ha l’effetto di far precipitare i due fotoni in due stati quantistici, denominati stati di Bell, che sono tra loro entangled, come verificato tramite appositi rivelatori. Per la proprietà transitiva, anche i due fotoni restanti, 0 e 3, diventano anch’essi entangled, anche se non hanno mai interagito tra loro.

Nel primo studio, pubblicato sui “Proceedings of the National Academy of Sciences” a prima firma Thomas Herbst, Zeilinger e colleghi hanno utilizzato questo schema di scambio di entanglement, creando presso lo Jacobus Kapteyn Telescope (JKT) di La Palma, nelle Isole Canarie, due coppie di fotoni: il fotone 0 entangled con il fotone 1, e il fotone 2 entangled con il fotone 3. Hanno poi effettuato una misurazione di Bell tra il fotone 1 e il fotone 2. Il fotone 3 è stato poi trasmesso alla Optical Ground Station dell’Agenzia spaziale europea, situata a Tenerife, sempre nelle Isole Canarie, a 143 chilometri di distanza da La Palma, dove è stata effettuata la misurazione del suo stato di polarizzazione, risultato effettivamente entangled con quello del fotone 0, misurato a La Palma.

Lo stato di polarizzazione di un fotone non è l’unica grandezza quantistica che può essere usata per la codifica di informazioni mirata al calcolo quantistico: un’altra possibilità in questo senso è offerta dal momento angolare orbitale, che è l’analogo quantistico del momento angolare della meccanica classica, una grandezza legata alle rotazioni nello spazio. Nel caso del fotone, l’esistenza di un momento angolare orbitale è dovuto al fatto che i fronti d’onda di radiazioni elettromagnetiche visibile e nello spettro X possono, in opportune condizioni, avvolgersi a spirale intorno alla direzione di propagazione.

Le potenzialità del calcolo quantistico basato sugli stati di momento angolare orbitale sarebbero addirittura maggiori, considerato che la gamma dei possibili valori di questa grandezza è più ampia di quella degli stati di polarizzazione e la quantità d’informazione codificabile da un singolo fotone sarebbe di conseguenza maggiore. Il problema è che il momento angolare orbitale di un fotone trasmesso in aria è influenzato dalle turbolenze atmosferiche, con pesanti ripercussioni sulla precisione delle rivelazione.

Nel secondo articolo pubblicato su “Proceedings of the National Academy of Sciences” a prima firma Mario Krenn, Zeilinger e colleghi hanno dimostrato che queste difficoltà possono essere superate sfruttando l’entanglement tra lo stato di polarizzazione di un fotone e il momento angolare orbitale di un secondo fotone. L’entanglement, come dimostrato nella sperimentazione, si mantiene anche misurando i due fotoni a tre chilometri l’uno dall’altro, nell’aria turbolenta della città di Vienna.

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Alfio Alfredo Stiro nasce in Sicilia a Catania il 22/01/1970, consegue la laurea in infermieristica presso la facoltà di Medicina e Chirurgia di Catania e successivamente il Master in Management delle Professioni Sanitarie. Master in osteopatia posturale presso l'universita di Pisa dipartimento di endocrinologia e metabolismo,ortopedia e traumatologia,medicina del lavoro. E scuola di osteopatia belga, Belso.ha frequentato numerosi corsi sull'emergenza, in servizio presso l’U.O. di Pronto soccorso e Ps pediatrico. Azienda Cannizzaro per l'emergenza di catania.

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