UN PASSO IMPORTANTE PER MIGLIORARE IL CALCOLO QUANTISTICO

Il teletrasporto è possibile nel mondo quantistico

Due recenti ricerche hanno esplorato nuovi modi per manipolare gli elettroni e trasmettere informazioni sfruttando la meccanica quantistica, per creare un computer quantistico in grado di eseguire calcoli complessi, fattorizzare numeri estremamente grandi e simulare i comportamenti di atomi e particelle a livelli impossibili per i computer attuali. I dettagli su Nature Communications

     24/06/2020
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Chip di un computer quantistico. Crediti: Università di Rochester / J. Adam Fenster

Mentre il teletrasporto umano esiste solo nei film di fantascienza, grazie all’impiego di macchine futuristiche o nei film fantasy utilizzando la magia nel mondo subatomico della meccanica quantistica il teletrasporto è possibile, anche se non nel modo in cui siamo abituati a vederlo rappresentato in Tv. Nel mondo quantistico il teletrasporto implica il trasporto di informazioni e non il trasporto di materia. È un modo per trasferire un bit quantistico, chiamato qubit, da un posto a un altro senza trasportare una particella fisica.

Lo scorso anno, gli scienziati hanno confermato che le informazioni quantistiche possono essere teletrasportate tra fotoni su microchip fisicamente separati. Ora, secondo una nuova ricerca dell’Università di Rochester e della Purdue University, il teletrasporto potrebbe essere possibile anche tra gli elettroni

In un articolo pubblicato su Nature Communications e in un altro attualmente in press su Physical Review X , i ricercatori –  tra cui John Nichol, un assistente professore di fisica a Rochester, e Andrew Jordan, un professore di fisica a Rochester – esplorano nuovi modi di creare interazioni quanto-meccaniche tra elettroni distanti. Questa ricerca potrebbe portare a un importante miglioramento dell’informatica quantistica, che a sua volta ha il potenziale di rivoluzionare la tecnologia, la medicina e la scienza, fornendo processori e sensori più veloci e potenti di quelli attuali.

Il teletrasporto quantistico è una dimostrazione di ciò che Albert Einstein chiamava azione spettrale a distanza, nota anche come entanglement quantistico – uno dei concetti fondamentali della fisica quantistica, in base al quale le proprietà di una particella influenzano le proprietà di un’altra particella anche quando le due sono separate da una grande distanza. Il teletrasporto quantistico coinvolge due particelle distanti e correlate (entangled) e una terza particella il cui stato si “teletrasporta” istantaneamente alle altre due.

Il teletrasporto quantistico è un mezzo importante per la trasmissione di informazioni nei computer quantistici. Così come il bit è il quanto di informazione della computazione classica, la computazione quantistica si basa su un concetto analogo: il quantum bit (o qubit). Un bit ha un singolo valore binario, che può essere “0” o “1”, ma i qubit possono essere contemporaneamente “0” e “1”. La capacità dei singoli qubit di occupare simultaneamente più stati è alla base del grande potenziale dei computer quantistici.

Gli scienziati hanno recentemente dimostrato il teletrasporto quantistico usando fotoni elettromagnetici per creare coppie di qubit correlate (entangled) da remoto. I qubit fatti dai singoli elettroni, tuttavia, sono inoltre promettenti per la trasmissione delle informazioni nei semiconduttori. «I singoli elettroni sono qubit affidabili perché interagiscono molto facilmente tra loro e anche i singoli qubit di elettroni nei semiconduttori sono scalabili», spiega Nichol. «La creazione affidabile di interazioni a lunga distanza tra elettroni, è essenziale per il calcolo quantistico».

La creazione di coppie correlate di qubit di elettroni che coprono lunghe distanze necessaria per il teletrasporto si è rivelata tuttavia impegnativa: mentre i fotoni si propagano naturalmente su lunghe distanze, gli elettroni di solito sono confinati in un unico posto.

Rappresentazione artistica di atomi. Crediti: pixabay

Per dimostrare il teletrasporto quantistico usando elettroni, i ricercatori hanno sfruttato una tecnica, recentemente sviluppata, basata sui principi di scambio di accoppiamento (exchange coupling) di Heisenberg. Un singolo elettrone è 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 uno dei due poli verso l’alto o verso il basso è nota come momento magnetico dell’elettrone o numero quantico di spin. Se alcuni tipi di particelle hanno lo stesso momento magnetico, non possono trovarsi allo stesso tempo, nello stesso posto. Questo significa che due elettroni nello stesso stato quantico non possono stare uno sopra l’altro; se lo facessero i loro stati si scambierebbero avanti e indietro nel tempo.

I ricercatori hanno usato la tecnica per distribuire coppie correlate di elettroni e teletrasportare i loro stati di spin quantico. «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», conclude Nichol.  «Il nostro lavoro dimostra che ciò può essere fatto anche senza fotoni».

I risultati prodotti da questa ricerca aprono la strada a futuri approfondimenti sul teletrasporto quantistico che coinvolgono stati di spin di tutta la materia non solo i fotoni e forniscono ulteriori prove delle capacità sorprendentemente utili dei singoli elettroni nei semiconduttori a qubit. Un piccolo passo per gli elettroni, un grande salto per i computer quantistici.

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