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    Teletrasporto quantistico, potrebbe essere possibile anche tra elettroni

    teletrasporto quantistico

    Chissà quante volte avrete desiderato teletrasportavi in un posto, abbandonare per un po’ i ritmi quotidiani e spostarvi magari in una bella spiaggia caraibica. In realtà il teletrasporto non è fantasia, si può realizzare ed è stato dimostrato. La cosa che sicuramente non vi piacerà sentire è che non si tratta di teletrasporto umano (possibile solo nei film): quello che gli scienziati sono riusciti a realizzare è il teletrasporto quantistico. Finora i fisici sono riusciti a “teletrasportare” informazioni usando i fotoni ma una nuova ricerca potrebbe confermare la possibilità di utilizzare anche gli elettroni.

    Teletrasporto? Sì, ma non come ve lo immaginate

    Dunque, il teletrasporto è possibile ma cosa significa “teletrasporto quantistico“? A differenza del concetto comune di teletrasporto – quello con cui cui si intende il trasferimento di materia da un luogo a un altro – a livello quantistico ciò che viene trasportato sono informazioni. Si tratta, per l’appunto, di un modo per trasferire un bit quantistico – detto qubit – senza necessità di trasferire una particella fisica. Proprio l’anno scorso un gruppo di scienziati ha dimostrato che le informazioni potevano essere teletrasportate tra fotoni su chip non fisicamente collegati. Ora una nuova ricerca permetterebbe di affermare che ciò è possibile anche tra gli elettroni. Lo studio in questione è stata realizzato dai ricercatori della University of Rochester e della Purdue University.

    Rappresentazione artistica di un insieme di atomi

    In un paper pubblicato su Nature Communications e in un altro in press su Physical Review X gli scienziati, tra cui John Nichol, assistente professore di fisica a Rochester e Andrew Jordan, professore di fisica nello stesso ateneo, esplorano nuovi modi di creare interazioni quanto-meccaniche tra elettroni distanti. I risultati ottenuti sono molto importanti perché potrebbero contribuire al miglioramento dell’informatica quantistica, che a sua volta rivoluzionerà il mondo della scienza (ma anche della medicina e della tecnologia) fornendo sensori e processori sempre più veloci ed efficienti.

    Einstein e il teletrasporto quantistico

    C’è una correlazione tra il teletrasporto quantistico e Albert Einstein: il teletrasporto quantistico, infatti, è la dimostrazione di quella che Einstein definì “spooky action at a distance” (azione spettrale a distanza), noto anche come entanglement quantistico, uno dei principi cardine della meccanica quantistica. Se è vero che a livello microscopico ogni particella ha un proprio stato quantico, è possibile che due particelle si influenzino e interagiscano in modo tale da creare un sistema – detto entangled – che può essere descritto con un solo stato quantico piuttosto che come l’insieme degli stati quantici delle singole particelle. In un sistema di questo tipo, le proprietà delle due particelle sono strettamente legate e si influenzano a vicenda anche qualora dovessero trovarsi a una grande distanza l’una dall’altra. Il teletrasporto quantistico coinvolge proprio due particelle entangled distanti e una terza particella che “teletrasporta” il suo stato alle altre due.

    Il teletrasporto quantistico è un fenomeno molto importante per lo sviluppo di computer quantistici: se i classici computer sono formati da miliardi di transistor – detti bit -, il funzionamento dei computer quantistici è basato su bit quantici o qubit. I bit possono assumere due valori distinti (0 o false e 1 o true) mentre i qubit possono contemporaneamente essere 0 e 1. È proprio questa caratteristica – assumere più stati contemporaneamente – a determinare il vero potenziale dei computer quantistici.

    Sfera di Bloch, rappresentazione di un qubit (credits: Glosser.ca – Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23263326)

    Di recente, usando i fotoni elettromagnetici, gli scienziati sono riusciti a creare coppie di qubit entangled da remoto. I qubit prodotti da singoli elettroni, però, sono promettenti anche per la trasmissione di informazioni nei semiconduttori. Come spiegato da Nichol “i singoli elettroni sono qubit affidabili perché interagiscono molto facilmente tra loro e anche i singoli qubit di elettroni nei semiconduttori sono scalabili. La creazione affidabile di interazioni a lunga distanza tra elettroni, è essenziale per il calcolo quantistico“. Portare a termine la ricerca, comunque, non è stato semplice: a differenza dei fotoni che si propagano naturalmente su lunghe distanze, gli elettroni di solito sono confinati in un unico posto.

    Come è stato dimostrato il teletrasporto quantistico tra elettroni

    I ricercatori impegnati nello studio che aveva come obiettivo quello di dimostrare il teletrasporto quantistico tra elettroni hanno utilizzato una tecnica basata sui principi di scambio di accoppiamento di Heisenberg (exchange coupling). Ogni singolo elettrone può essere visto come un magnete a barra con un polo Nord e un polo Sud che possono puntare verso l’alto o verso il basso. La direzione di un polo è nota come momento magnetico dell’elettrone o numero quantico di spin. Due particelle che hanno lo stesso momento magnetico non possono trovarsi nello stesso posto nello stesso istante di tempo: questo significa che due elettroni con stesso momento magnetico non possono trovarsi uno sopra l’altro. Se questo succedesse, i loro stati si scambierebbero avanti e dietro nel tempo. I ricercatori hanno usato la tecnica descritta in precedenza per creare coppie di elettroni entangled e trasportare i loro stati di spin.

    “Forniamo prove di scambio di entanglement, in cui creiamo entanglement tra due elettroni anche se le particelle non interagiscono mai, e il teletrasporto del gate quantistico, una tecnica potenzialmente utile per il calcolo quantistico che utilizza il teletrasporto. Il nostro lavoro dimostra che ciò può essere fatto anche senza fotoni, ha affermato John Nichol.

    Immagine in evidenza: un chip a semiconduttore con processore quantico è collegato a un circuito nel laboratorio di John Nichol, assistente professore di fisica all’University of Rochester (credits: University of Rochester photo / J. Adam Fenster)

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