Il Qutrit e il teletrasporto quantistico

Gli esperimenti hanno mostrato che i qutrits, che sono in grado di trasportare più informazioni per mezzo del teletrasporto quantistico e avere una maggiore resistenza al rumore rispetto ai qubit, potrebbero essere usati nelle reti quantistiche del futuro

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Due team di fisici sono riusciti ad effettuare il teletrasporto quantistico con un qutrit, un’unità di informazioni quantistiche a tre stati.

I risultati, raggiunti in maniera indipendente dai due team, rappresentano un notevole progresso per il campo del teletrasporto quantistico, che è stato a lungo limitato ai soli qubit: unità di informazione quantistica simili ai “bit” binari utilizzati nell’informatica classica.


Gli esperimenti hanno mostrato che i qutrits, che sono in grado di trasportare più informazioni per mezzo del teletrasporto quantistico con una maggiore resistenza al rumore rispetto ai qubit, potrebbero essere usati nelle reti quantistiche del futuro.

Il fisico cinese Guang-Can Guo, e i suoi colleghi dell’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC), hanno descritto i risultati raggiunti che non sono ancora pubblicati in una rivista Peer-reviewed.

Il secondo team a sperimentare il teletrasporto quantistico è una collaborazione internazionale guidata da Anton Zeilinger, dell’Accademia austriaca delle scienze, e Jian-Wei Pan, dell’USTC, ha riportato lo studio in un documento di prestampa che è stato accettato per la pubblicazione in Physical Review Letters.

“Ognuno di questi esperimenti è un progresso importante nella tecnologia del teletrasporto quantistico”, spiega William Wootters, fisico del Williams College, che non era coinvolto in nessuna delle ricerche condotte.

Quando parliamo di teletrasporto quantistico pensiamo alla tecnologia che le navi interstellari della federazione nella saga di Star Trek utilizzano per trasportare merci o persone tra due luoghi distanti in un batter d’occhio.

I trasportatori utilizzati nella fantascienza possono “irradiare” oggetti e persino esseri umani trasformandoli in pura energia per riassemblarli una volta inviati a destinazione.

Ovviamente i due team non hanno fatto nulla di così fantascientifico, infatti si sono limitati a trasportare gli stati di due particelle intrecciate, ad esempio lo spin di un elettrone.

Anche se distanti tra loro, le particelle intrecciate condividono una connessione; nel caso di due elettroni intrecciati, qualunque cosa succeda alla propria rotazione influenza istantaneamente quella dell’altra particella.

Il “teletrasporto quantistico” fa venire in mente anche “comunicazioni superluminali” o comunicazioni quasi istantanee, tuttavia sappiamo che cosi non può essere, perché se vogliamo inviare un messaggio utilizzando il teletrasporto occorre prima inviare delle informazioni tramite un pacchetto di fotoni che si muovono a velocità “fotonica”quindi a velocità finita.

Tralasciando la fantascienza (per ora), che ha dato sempre spunti interessanti, il teletrasporto quantistico potrebbe essere sfruttato in futuro per ottenere comunicazioni sicure, direzione intrapresa dalla ricerca grazie ai finanziamenti che arrivano per questo tipo di applicazioni.

Prove di teletrasporto quantistico

Nel 2017, Pan, Zeilinger e i loro colleghi hanno utilizzato il satellite cinese Micius per effettuare l’esperimento di comunicazione più lungo mai realizzato. Due fotoni, ognuno dei quali si comporta come un qubit, sono stati trasmessi a Vienna e in Cina.

Prendendo informazioni sullo stato dei due fotoni, i ricercatori cinesi e austriaci sono stati in grado di costruire in modo efficace una password non intercettabile, che hanno utilizzato per effettuare una videochiamata sicura.

In uno studio pubblicato nel 2015, Pan e i suoi colleghi sono riusciti a teletrasportare due stati di un fotone: la sua rotazione e il momento angolare.

Tuttavia, ognuno degli stati era binario: il sistema utilizzava ancora i qubit. Finora, gli scienziati non avevano mai teletrasportato nessuno stato più complesso.

Un bit può avere un valore di 0 o 1. Il qubit invece, che è la sua controparte quantistica è la sovrapposizione di entrambi gli stati, quindi sia 0 e che 1. Nel caso del qubit un fotone può mostrare una polarizzazione orizzontale o verticale. I qubit sono abbastanza semplici da ottenere.

Un qutrit invece può mostrare la sovrapposizione di tutti e tre gli stati quindi può essere 0, 1 o 2. Questo rende i qutrits notevolmente più complessi da realizzare. Per creare i qutrits, entrambi i team hanno utilizzato il percorso a tripla ramificazione di un fotone, espresso in sistemi ottici composti da laser, divisori di fascio e cristalli di borato.

Il fisico Chao-Yang Lu coautore della ricerca spiega il tutto con il famoso esperimento della doppia fenditura. Nel classico esperimento, un fotone attraversa due fenditure contemporaneamente, creando un modello di interferenza. Ogni fenditura ha uno stato di 0 e 1, perché un fotone attraversa entrambe le fenditure.

Se si aggiunge una terza fenditura, il risultato è un qutrit, un sistema quantistico definito dalla sovrapposizione di tre stati in cui il percorso di un fotone codifica in maniera efficace le informazioni.

Entrambe le squadre hanno dovuto intrecciare due qutrits tra di loro, impresa ardua, perché la luce raramente interagisce con se stessa. I ricercatori, hanno dovuto confermare l’entanglement dei qutrits, noto anche come lo stato di Bell.

Gli stati di Bell, che prendono il nome da John Stewart Bell, un pioniere della teoria dell’informazione quantistica, sono le condizioni in cui le particelle sono intrecciate al massimo.

Determinare in quale stato di Bell si trovano i qutrits è necessario per estrarre informazioni e per dimostrare le informazioni sono state trasmesse con alta fedeltà.

Cosa costituisce la “fedeltà” in questo caso? Immaginate una coppia di dadi ponderati, spiega Wootters: se Alice ha un dado che da sempre il numero 3, ma dopo averlo inviato a Bob, da 3 in metà del tempo, la fedeltà del sistema è bassa: le probabilità di corrompere le informazioni trasmesse sono alte.

La trasmissione accurata di un messaggio è fondamentale, indipendentemente dal fatto che questa sia o non sia quantistica. Qui, le squadre discutono sulla fedeltà. Guo e i suoi colleghi ritengono che la loro misurazione dello stato di Bell, presa su 10 stati, sia sufficiente per un esperimento concettuale.

Tuttavia il gruppo di Zeilinger e Pan sostiene che il team di Guo non è riuscito a misurare un numero sufficiente di stati Bell per provare che esiste una fedeltà sufficientemente elevata.

Nonostante questo, la rivalità tra i gruppi rimane amichevole, anche se l’onore di avere realizzato per primo il teletrasporto quantistico di un qutrit è in bilico. Entrambe le squadre concordano sul fatto che ognuna ha teletrasportato un qutrit ed entrambe hanno in programma di andare oltre i qutrits: con sistemi a quattro livelli o anche più.

Alcuni ricercator ituttavia sono meno convinti. Akira Furusawa, fisico dell’Università di Tokyo, sostiene che il metodo utilizzato dai due team non è adatto per applicazioni pratiche perché è lento e poco efficiente.