Fisica, Nobel nel segno del teletrasporto

Il premio Nobel ai fisici Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger premia decenni di ricerche sperimentali e teoriche che hanno permesso di fare luce su alcuni degli aspetti più affascinanti della teoria dei quanti e utilizzare questi concetti per applicazioni su larga scala nel campo delle cosiddette tecnologie quantistiche.

Uno dei concetti più misteriosi che emerge dalla meccanica quantistica è quello di “entanglement” di particelle o fotoni, ossia i quanti di energia che formano la luce. Due sistemi si dicono entangled quando mantengono delle caratteristiche correlate indipendentemente dalla loro distanza.

Immaginiamo per semplicità di lanciare due monete, che possono dare testa o croce in maniera indipendente tra loro. Se le due monete sono “entangled”, il lancio di una moneta determinerà automaticamente il risultato del lancio dell’altra moneta. Immaginate di portare le due monete a distanze molto grandi, anche centinaia di km. Nel momento in cui esce testa dal lancio della prima moneta, potete essere sicuri che la seconda moneta vi darà croce. Nel caso dei fotoni, la testa e la croce rappresentano, per esempio, la loro polarizzazione, ossia la direzione di oscillazione del campo elettromagnetico.

Il vero mistero dei due fotoni uniti e indivisibili è come essi facciano a scambiarsi l’informazione istantaneamente e a distanze così grandi. Sin dagli albori della meccanica quantistica questo problema ha suscitato scalpore, con la famosa diatriba tra Einstein, che sosteneva l’impossibilità di scambiare informazione tra oggetti distanti a una velocità maggiore di quella della luce, e Niels Bohr e Erwin Schrödinger, che pensavano che l’entanglement fosse una conseguenza inevitabile della meccanica quantistica.

Questo scontro di vedute ha portato allo sviluppo di innumerevoli tentativi di risoluzione, tra cui le famose diseguaglianze di Bell che permettono di quantificare la differenza tra una teoria “non locale”, come la meccanica quantistica, e una teoria “locale”, che prevede scambio di informazione alla velocità della luce. Alcuni degli esperimenti condotti da Alain Aspect e John Clauser hanno proprio permesso di realizzare queste disuguaglianze e, infine, dimostrare come l’entanglement sia una proprietà di origine quantistica.

Le conseguenze di questi concetti sono innumerevoli. Immaginate di modificare in un punto uno dei due sistemi entangled. Automaticamente determinerete una modifica del suo sistema gemello. Quest’idea è alla base del concetto di teletrasporto, grazie al quale è possibile “riprodurre” un sistema a grande distanza, modificando opportunamente una sua copia entangled. Allo stesso modo, queste idee hanno permesso di sviluppare il campo della crittografia quantistica. Se qualcuno, a grande distanza, misura la proprietà di uno dei due sistemi (ad es. la polarizzazione di un fotone) entangled, automaticamente sta cambiando le proprietà del suo fotone gemello utilizzato per trasportare, ad esempio, una chiave crittografata che ci serve per una comunicazione sicura. Abbiamo così la possibilità di smascherare l’intercettazione, indipendentemente dalla distanza a cui sia avvenuta.

Anton Zeilinger è stato pioniere nello sviluppo di queste tecnologie che hanno reso possibile la seconda rivoluzione quantistica, che vede uno sforzo economico e tecnologico senza precedenti a livello mondiale e europeo. Anche il Pnrr prevede grandi sforzi in questa direzione, con l’imminente nascita di un nuovo centro di Quantum Computing a Bologna e un network a livello nazionale che sviluppi tecnologie quantistiche di diverso tipo.

Anche il Centro di ricerca iLamp dell’Università Cattolica del Sacro Cuore è attivo su questo fronte. Stiamo infatti sviluppando una serie di esperimenti che ci permetteranno di capire come i materiali di interesse tecnologico perdano le proprietà quantistiche a livello macroscopico. Capire quali sono i fattori che guidano questo processo di decoerenza quantistica ci potrà permettere di sviluppare materiali e dispositivi che sfruttino le proprietà di entanglement a livello macroscopico e a temperature molto elevate.