Transcript Teletrasporto quantistico

TELETRASPORTO QUANTISTICO

Che cosa è il Teletrasporto Quantistico?

Qubit e Computer quantistici
TAVOLA DEI CONTENUTI
• La teoria
• Introduzione al Teletrasporto Quantistico
• La comunicazione quantistica
• Storia, applicazioni, approfondimenti
ritorno all’introduzione
COSA E'IL TELETRASPORTO QUANTISTICO?
Prima di dare una completa definizione è necessario
sottolineare che si tratta di una tecnica di comunicazione
che sfrutta alcuni aspetti peculiari della
Meccanica Quantistica
ossia quella teoria fisica che descrive
il comportamento della radiazione elettromagnetica, della
materia e delle loro interazioni, con particolare riguardo ai
fenomeni che interessano le scale di lunghezze o di
energie atomiche e subatomiche.
Sviluppo della Meccanica Quantistica
Lo sviluppo della meccanica quantistica risale alla
prima metà del XX secolo, data l'inconsistenza e
l'impossibilità della meccanica classica di
rappresentare la realtà sperimentale, con particolare
riferimento alla luce e all'elettrone.
Il nome “Meccanica Quantistica", fu introdotto da Max
Planck agli inizi del Novecento. Essa si basa sul fatto
che quantità come: energia o momento angolare, di
alcuni sistemi fisici, possono variare in maniera
discreta ossia assumendo soltanto determinati valori
detti:
"QUANTI".
La caratteristica fondamentale che contraddistingue la
meccanica quantistica dalla meccanica classica è che:
in meccanica quantistica la radiazione elettromagnetica
e la materia vengono entrambe descritte sia come un
fenomeno ondulatorio che, allo stesso tempo, come
entità particellari, al contrario della meccanica classica
dove, per esempio, la luce è descritta solo come un'onda o
l'elettrone solo come una particella.
Questa inaspettata e contro intuitiva proprietà chiamata:
“dualismo onda-corpuscolo”
è la principale ragione del fallimento di tutte le
teorie classiche sviluppate fino al XIX secolo.
ALCUNE SITUAZIONI SPERIMENTALI IN CUI
LA “FISICA CLASSICA" FALLISCE:




Radiazione di corpo nero
Effetto fotoelettrico
Linee spettrali atomiche
Proprietà ondulatorie degli elettroni
LA MECCANICA QUANTISTICA FORNISCE LE SOLUZIONI CON:

Teoria di Planck dell'irraggiamento di un corpo nero

Spiegazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico

Modello di Bohr dell'atomo di idrogeno

Lunghezza d'onda di Louis de Broglie
Max Planck trovò che l'energia della radiazione emessa o assorbita da un
corpo nero non fosse emessa e assorbita con continuità ma in quantità
discrete o quanti.
Il concetto fondamentale della sua teoria si basava sul fatto che:
ogni oscillatore elementare (gli elettroni all'interno dell'atomo) potesse
scambiare energia con l’ambiente solo in forma di pacchetti di
grandezza E=hʋ dove:
h = 6,63 × 10-34 J·s = 6,63 x 10-27 erg·s
ʋ è la frequenza dell'oscillatore.
è la costante di Planck
Albert Einstein riconobbe per primo che questa quantizzazione
dell'energia della radiazione emessa o assorbita è una proprietà
generale della radiazione elettromagnetica, pensando ad essa come
ad un insieme di fotoni di energia E=hʋ.
Niels Bohr applicò le idee di Einstein, relative alla quantizzazione
dell'energia, all'energia di un atomo e propose un modello dell'atomo
di idrogeno che ebbe un successo spettacolare nei calcoli delle
lunghezze d'onda della radiazione emessa dall'idrogeno.
Dualismo onda – corpuscolo
NATURA ONDULATORIA E CORPUSCOLARE DELLA LUCE
Schema riassuntivo
La luce consiste di particelle o di onde?
La risposta dipende dal tipo di fenomeno osservato.
I più comuni fenomeni luminosi osservati, come:
riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione
possono essere spiegati come fenomeni ondulatori.
Tuttavia la luce, che di solito immaginiamo come un'onda,
mostra anche proprietà corpuscolari quando interagisce con
la materia come dimostrato da:
effetto fotoelettrico e diffusione Compton.
Lo stesso dualismo onda- particella vale
anche per gli elettroni.
Dualismo onda – corpuscolo
NATURA ONDULATORIA DELLA MATERIA
Gli elettroni (e la materia in generale), che di
solito pensiamo come particelle, presentano anche
le proprietà ondulatorie di interferenza e di
diffrazione.
Fu Louis de Broglie nel 1924 a sostenere che le particelle si
dovessero tutte considerare in possesso di proprietà
ondulatorie.
Egli giunse a suggerire che la lunghezza d’onda associata
all’onda di materia fosse inversamente proporzionale alla
massa m della particella ed alla sua velocità v, sicché:
h

mv
dove h è la costante di Planck.
Il prodotto della massa per la velocità prende il nome di
“quantità di moto” p della particella, per cui la precedente
equazione si può riformulare come “relazione di de Broglie” nel
modo seguente:
h

p
Il carattere ondulatorio degli elettroni fu messo in evidenza
dimostrando che i fasci elettronici possono essere diffratti.
L’esperimento fu effettuato per la prima volta nel 1925 da due
scienziati americani, Clinton Davisson e Lester Germer, i quali
inviarono un fascio di elettroni veloci contro un cristallo isolato
di nichel.
La disposizione regolare degli atomi all’interno del cristallo
agisce come un reticolo, capace di diffrangere le onde. Quello
che si osservò fu perciò un’immagine di diffrazione.
G.P.Thomson, nel 1927, operando ad Aberdeen in Scozia,
dimostrò che un fascio di elettroni produceva un’immagine di
diffrazione attraversando anche una lamina sottile d’oro, come
mostrato in figura:
Anche l'elettrone, come il fotone, rivela dunque una
doppia faccia.
Esso non è una tranquilla particella classica, ma può
avere
comportamenti ondulatori rilevabili
La lunghezza d'onda
ad esso associata è
inversamente proporzionale alla sua
quantità di moto.
La “relazione di de Broglie” è valida
anche per i fotoni:
λ = c/ν = hc/hν = hc/E = h/(E/c) = h/p
La quantità di moto di un fotone è legata difatti
alla sua energia dalla relazione: p = E/c.
CONCLUSIONE
Si può concludere dicendo che
“tutti i portatori di quantità di moto e di energia:
elettroni, atomi, luce, suono
e così via, hanno entrambe le caratteristiche,
quella corpuscolare e quella ondulatoria”.
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MECCANICA CLASSICA E MECCANICA QUANTISTICA
A CONFRONTO
La meccanica classica è una teoria fisica di
natura deterministica.
Vige il principio di causalità.
La meccanica quantistica è una teoria fisica di
natura probabilistica.
Si basa sul concetto di probabilità ed osservazione.
Sostanzialmente:
secondo la meccanica classica, grazie alle scoperte di
Newton e Galileo Galilei, se si conoscono le proprietà di un
corpo (massa, forma, etc.), le sue condizioni iniziali di moto
(posizione, velocità, etc.) e le condizioni esterne (campi di
forze, etc.), è possibile determinare, in modo esatto, il suo
comportamento istante per istante. Nell'ambito della
meccanica classica vige dunque il principio di causalità,
ossia in natura nulla avviene a caso, ogni evento è
determinato da una causa ben precisa.
La meccanica quantistica è invece di carattere
indeterministico, ossia essa si basa sul concetto di
probabilità ed osservazione.
Se, per esempio, si vuole sapere con precisione la posizione
di un elettrone in un atomo, non ne potremo mai conoscere
la velocità e viceversa.
Il famoso esempio del gatto di Schrödinger
chiarisce il carattere della meccanica quantistica.
In questo esempio un gatto è chiuso in una scatola,
con un macchinario collegato ad una boccetta
contenente del veleno. Il macchinario si avvia quando
un elemento radioattivo decade, rompendo la boccetta
di veleno.
Dall’esterno, il gatto, dentro la scatola, può essere
vivo o morto, in quanto non si sa se l’elemento
radioattivo sia decaduto oppure no.
Per la meccanica quantistica, il gatto è sia vivo che
morto, si dice che è in una sovrapposizione di stati:
stato “vivo” e stato “morto”.
Soltanto la fase di osservazione congela lo stato del
gatto, determinandone la sorte.
Per poter parlare di Teletrasporto Quantistico è
necessario prendere in considerazione la natura
ondulatoria e quella corpuscolare della radiazione
elettromagnetica e della materia. Ossia far riferimento
al:
dualismo onda - corpuscolo
sia per la luce che per la materia.
A mettere in relazione
la natura ondulatoria e quella corpuscolare delle
particelle è il
“Principio di Indeterminazione di
Heisenberg”
Formulato dallo scienziato tedesco Werner Heisenberg nel 1927, tale
principio asserisce che:
“Se l’incertezza Δx sulla posizione x di una particella
ha un valore molto ridotto, l’incertezza
Δp sulla quantità di moto p risulta elevata e
viceversa”.
Rappresentazione del Principio di Indeterminazione di
Heisenberg:
a)
b)
a) La posizione x della particella è mal
definita e ciò permette di specificare la sua
quantità di moto p, rappresentata dalla
freccia, con accettabile precisione.
b) La posizione x della particella è ben
definita e ciò impedisce di specificare con
precisione la sua quantità di moto p .
Espressione matematica del principio:
Δx·Δp ≥ h/4π
oppure:
Δx·Δp ≥ ћ/2
Secondo il Principio di Indeterminazione di
Heisenberg quindi:
“è impossibile conoscere simultaneamente e con
precisione la quantità di moto e la posizione di una
particella”.
La stessa indeterminazione lega la misura simultanea
dell'energia E e del tempo t:
ΔE·Δt ≥ ћ/2
il che significa che:
“in un tempo molto breve l'energia non è definita”.
In altre parole:
“il prodotto delle incertezze di due misure
simultanee non può essere minore di un
dato valore costante”.
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Comunicazione quantistica
Il teletrasporto quantistico prevede che sia possibile
trasferire lo stato quantico di una particella
(per esempio, lo stato di polarizzazione se si tratta di un
fotone) a grandi distanze.
Non è la particella in sé ad essere trasferita ma quella
“ricevente” acquisisce esattamente lo stesso stato di
polarizzazione di quella “trasmittente”.
Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg vieta di
conoscere con esattezza lo stato del fotone trasmesso,
ma una proprietà detta “correlazione non locale” (in
inglese: ”entanglement”) fa sì che questo non sia un
problema per il teletrasporto.
IL TELETRASPORTO ALLA STAR TREK
PREVEDE:
la scomparsa di un oggetto da una posizione e la
simultanea ricomparsa del medesimo oggetto in
un'altra posizione dello spazio, senza dover percorrere
noiosi chilometri intermedi e senza l'utilizzo di alcun
veicolo.
Nelle storie di fantascienza
Il teletrasporto consente di effettuare viaggi, senza alcun dubbio, più
comodi rispetto a quelli effettuati con un ordinario veicolo spaziale,
ma ciò comporta la violazione dei limiti di velocità imposti dalla
teoria della relatività, secondo cui nulla può viaggiare più
velocemente della luce.
Nella fantascienza la procedura di teletrasporto varia da storia a
storia ed in generale si svolge nel modo seguente:


l'oggetto originale da teletrasportare viene sottoposto ad una
scansione per estrarre le informazioni necessarie a descriverlo.
Un trasmettitore trasferisce le informazioni ad una stazione ricevente
che le utilizza per ottenere una replica esatta dell'originale.
In alcuni casi, alla stazione ricevente, viene trasferita anche la materia
che compone l'originale, sotto forma di qualche tipo di energia.
In altri casi invece la replica dell'originale usa atomi e molecole già
presenti nel luogo di arrivo.
Secondo la meccanica quantistica, un simile teletrasporto è
impossibile anche in linea teorica difatti:
il Principio di Indeterminazione di Heisenberg dichiara l'impossibilità
di conoscere nello stesso momento, con precisione arbitraria, la
posizione e la velocità di una particella.
Una perfetta scansione dell'oggetto da teletrasportare implica la
conoscenza, senza incertezze, della posizione e della velocità di ciascun
atomo e di ciascun elettrone, quindi il teletrasporto è impossibile.
Il Principio di Heisenberg inoltre si applica anche ad altre coppie di
grandezze e ciò esprime l'impossibilità di misurare senza errore lo
stato quantico di un oggetto.
Tutte queste difficoltà, in Star Trek, sono superate dal
prodigioso
“compensatore di Heisenberg".
MA
Il sogno fantascientifico di “proiettare” oggetti da
un luogo all'altro, oggi è una realtà, almeno per
particelle di luce: i fotoni
sebbene per gli oggetti macroscopici resti, per
ora, ancora una fantasia.
IL TELETRASPORTO QUANTISTICO
Definizione:
Esso è una tecnica di comunicazione nell'ambito della
Informatica Quantistica
“insieme di tecniche di calcolo e loro studio che utilizzano
i QUANTI per memorizzare ed elaborare le informazioni”.
La tecnica del Teletrasporto Quantistico
permette, sotto certe restrizioni, di:
trasferire uno stato quantico
ossia lo stato di polarizzazione dei fotoni, lo stato di spin degli elettroni o
lo stato di eccitazione degli atomi,
in un punto arbitrariamente lontano.
L'effetto coinvolto è:
L'ENTANGLEMENT QUANTISTICO
Si può dire che:
con il Teletrasporto Quantistico non si ha un trasferimento
alla Star Trek, ma è possibile, attraverso il
fenomeno dell’entanglement
trasferire (istantaneamente) “le caratteristiche”
(stati quantici) di
fotoni, atomi, ioni,
in altri
fotoni, atomi, ioni posti a qualsiasi distanza.
L'ENTANGLEMENT QUANTISTICO
L'entanglement quantistico venne ipotizzato per la prima volta nel 1926 da Erwin
Schrödinger, che fu anche il primo ad introdurre nel 1935 il termine
"entanglement" (letteralmente groviglio, intreccio).
La correlazione quantistica o entanglement quantistico è un fenomeno quantistico,
privo di analogo classico, in cui ogni stato quantico (es: polarizzazione dei fotoni,
stato di spin degli elettroni) di un insieme di due o più sistemi fisici dipende dallo
stato di ciascun sistema, anche se essi sono spazialmente separati.
Tale fenomeno viene a volte reso in italiano con il termine "non-separabilità".
Esso implica la presenza di correlazioni a distanza tra le quantità fisiche osservabili
dei sistemi coinvolti, determinando il carattere “non locale” della teoria quantistica.
Il fenomeno dell'entanglement viola dunque il “principio di località” per il quale ciò
che accade in un luogo NON può influire immediatamente su ciò che accade in un
altro.
Albert Einstein, pur avendo dato importanti contributi alla teoria quantistica, non
accettò mai che una particella potesse influenzarne un'altra istantaneamente. Egli
pertanto cercò a lungo di dimostrare che la violazione della località fosse solo
apparente, ma i suoi tentativi furono di volta in volta ribattuti dai suoi oppositori.
Nel 1982 il fisico Alain Aspect, con una serie di sofisticati
esperimenti dimostrò l'esistenza dell’entanglement e quindi
l'inconsistenza della posizione di Einstein.
Nell'Ottobre del 1998 il fenomeno dell’entanglement fu
definitivamente confermato dalla riuscita di un esperimento
sul teletrasporto effettuato dall'Institute of Technology
(Caltech) di Pasadena, in California.
SAPERNE DI PIÙ SULL'ENTANGLEMENT
Se due particelle interagiscono per un certo periodo di tempo e poi vengono
separate, quando una delle due viene sollecitata, in modo tale da cambiare il
suo stato, istantaneamente sulla seconda particella si manifesta una analoga
sollecitazione, a qualunque distanza essa si trovi rispetto alla prima; in altri
termini, anche la seconda particella modifica istantaneamente il suo stato.
Tale fenomeno è detto "Entanglement".
Un semplice esperimento sul fenomeno “Entanglement”:
due particelle “gemelle” vengono lanciate in direzioni opposte.
Se la particella 1, durante il suo tragitto, incontra un magnete che ne devia
la direzione verso l’alto, la particella 2, invece di continuare la sua traiettoria
in linea retta, devia contemporaneamente la sua direzione, assumendo così
un moto contrario alla sua gemella.
Questo esperimento dimostra che:
1. le particelle sono in grado di comunicare
tra di loro trasmettendo ed elaborando
informazioni.
2. la comunicazione è istantanea.
Il fisico Niels Bohr disse:
"Tra due particelle [correlate] che si
allontanano l'una dall'altra nello spazio, esiste
una forma di
azione - comunicazione permanente. [...]
Anche se due fotoni si trovassero su due
diverse galassie continuerebbero pur sempre a
rimanere un unico ente ..."
Gli esperimenti di Alain Aspect
Nel 1982 Alain Aspect, con la collaborazione dei ricercatori J. Dalibard e G. Roger
dell’Istituto di Ottica dell’Università di Parigi, dimostrò l'esistenza dell'entanglement,
confermando così le ipotesi "non localistiche" della teoria quantistica.
In figura è riportata una schematizzazione delle apparecchiature utilizzate da Aspect
e dai suoi collaboratori durante gli esperimenti.
Un atomo di calcio eccitato, al centro della figura, produce una coppia di fotoni
correlati che si muovono lungo i percorsi A e B opposti:
lungo il percorso A viene, di tanto in tanto, inserito un cristallo
birifrangente che funge da filtro. Quando il fotone interagisce con il
cristallo, esso può, con una probabilità del 50 %, essere deviato oppure
attraversare il cristallo proseguendo indisturbato per la sua strada.
Alle estremità di ciascun tragitto, previsto per ciascun fotone, è posto un
rivelatore di fotoni che ne permette la loro rilevazione.
La cosa sorprendente che Aspect osservò fu che:
nel momento in cui, lungo il percorso A, veniva inserito il cristallo
birifrangente e si verificava una deviazione del fotone 1 verso il rivelatore c,
anche il fotone 2 del percorso B (fotone separato e senza “ostacoli” davanti),
"spontaneamente" ed “istantaneamente”, deviava verso il rivelatore d.
Praticamente l’atto di inserire il cristallo birifrangente, con la conseguente
deviazione del fotone 1, faceva, istantaneamente e a distanza, deviare il
fotone 2.
Tutto ciò può sembrare strano, ma è quello che effettivamente accade
quando si eseguono esperimenti su coppie di particelle correlate.
Dunque l’idea che particelle correlate, situate in luoghi distanti,
rappresentino enti distinti, deve essere abbandonata.
In riferimento all’unicità della materia che
scaturisce dalla visione “non localistica” della
teoria quantistica, così si esprime Brian
Josephson, premio Nobel per la Fisica:
"L’universo non è una collezione di oggetti, ma
una inseparabile rete di modelli di energia
vibrante nei quali nessun componente ha
realtà indipendente dal tutto: includendo nel
tutto l’osservatore".
RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DI UN PROCESSO DI TELETRASPORTO QUANTISTICO
Fotone teletrasportato
Stazione
trasmittente T
A
C
B
A
Fotone da
teletrasportare
Fotoni entangled
Stazione
ricevente R
B
Sorgente di fotoni entangled:
Sorgente EPR
L'entanglement è spesso indicato come "effetto EPR" dalle iniziali di Albert
Einstein, Boris Podolski e Nathan Rosen, che nel 1935 ne analizzarono le conseguenze
su particelle poste a grandi distanze. Le particelle coinvolte sono dette "coppie EPR“.
BREVE DESCRIZIONE DEL PROCESSO DI
TELETRASPORTO QUANTISTICO
1. Produzione di una coppia di fotoni A e B correlati o entangled
mediante opportuno dispositivo.
2. Invio dei fotoni entangled A e B rispettivamente alla stazione
trasmittente T ed alla stazione ricevente R.
3. Invio del fotone C, di cui si vuole teletrasportare lo stato di
polarizzazione, alla stazione trasmittente T.
4. Interazione, alla postazione di partenza T, tra i fotoni A e C
e misura sul sistema composto.
5. Simultaneo cambiamento, nel momento della misura, dello
stato di polarizzazione del fotone B, alla stazione R.
6.Comunicazione alla stazione R, con mezzi classici (es:
telefonata), del risultato della misura effettuata sul sistema
composto “AC ”.
(La misura può dare uno tra quattro possibili risultati).
7.Modifica dello stato del
informazione comunicata.
fotone
B
in
base
alla
Risultato
Teletrasporto quantistico del fotone C ossia:
“ottenimento di un fotone con lo stesso stato di
polarizzazione del fotone C senza effettuare alcuna misura
su di esso”.
Descrizione più dettagliata del processo di
Teletrasporto Quantistico
Amanda e Bert intendono teletrasportare il fotone C. Amanda si trova nella
postazione T e Bert è nella postazione R.
All’inizio del processo ciascuno riceve un fotone di una coppia entangled:
Amanda riceve il fotone A e Bert riceve il fotone B. Invece di effettuare una misura sui
fotoni, sia Amanda che Bert conservano il proprio fotone senza disturbarne lo stato
entangled.
Amanda riceve un terzo fotone C che intende teletrasportare a Bert.
In pratica Amanda, senza conoscere lo stato di polarizzazione del fotone C, vuole
che Bert abbia un fotone con la stessa polarizzazione di C.
Si badi che Amanda non può semplicemente misurare lo stato di polarizzazione del
fotone C e comunicare il risultato a Bert poiché, per il principio d'indeterminazione, la
misura non riprodurrebbe con esattezza lo stato originario del fotone.
Per teletrasportare il fotone C, Amanda fa interagire A e C ed esegue una misura
sul sistema composto, senza determinare, in termini assoluti, le singole
polarizzazioni dei due fotoni.
La misura può dare uno tra 4 possibili risultati.
In termini tecnici, una misurazione congiunta di questo tipo è chiamata
misurazione dello stato di Bell ed ha un effetto particolare:
induce istantaneamente un cambiamento nel fotone di Bert, correlandolo al
risultato della misura effettuata da Amanda ed allo stato che il fotone C
aveva originariamente.
Per completare il teletrasporto, Amanda deve inviare a Bert un messaggio con
metodi convenzionali (una telefonata o un appunto scritto).
Dopo aver ricevuto questo messaggio, Bert, se necessario, può trasformare il
suo fotone B in modo da renderlo una replica esatta del fotone C originale.
La trasformazione che Bert deve applicare dipende dal risultato della misurazione
di Amanda.
Quale dei quattro possibili risultati ottenga Amanda è frutto del caso. Bert
dunque non sa come modificare il suo fotone finché non riceve da Amanda il
risultato della misurazione.
Dopo questa trasformazione il fotone di Bert è nello stesso stato del fotone C.
Ciò che viene teletrasportato quindi non è il fotone ma il suo stato di
polarizzazione o, più in generale, il suo stato quantico.
Tuttavia poiché lo stato quantico è una caratteristica peculiare di una particella,
teletrasportare lo stato quantico è come teletrasportare la particella stessa.
E' importante osservare che:
la misura che esegue Amanda accoppia il fotone A al fotone C. Il fotone C perde
così tutta la "memoria" del suo stato originario.
Lo stato originario del fotone C, dopo la misurazione, scompare dunque dal luogo
in cui si trova Amanda.
Il risultato della misura di Amanda, essendo del tutto casuale, non dice nulla sullo
stato quantico.
In questo modo il processo aggira il Principio di Indeterminazione di Heisenberg
che non consente la completa determinazione dello stato di una particella ma
permette il teletrasporto dello stato, purché non si cerchi di conoscere quale
esso sia.
Il trasferimento dello stato del fotone C è avvenuto senza che né Amanda né
Bert sapessero nulla di esso.
Inoltre, l'informazione quantistica teletrasportata non viaggia
materialmente. Ciò che viene trasferito, in realtà, è solo il messaggio sul
risultato della misurazione di Amanda che dice a Bert come modificare il
suo fotone, senza alcuna indicazione sullo stato del fotone C.
In uno dei quattro casi, la misura effettuata da Amanda è fortunata ed il
fotone di Bert diventa immediatamente una replica esatta del fotone
originale C.
In questo caso può sembrare che l'informazione viaggi istantaneamente
da Amanda a Bert, infrangendo il limite imposto da Einstein.
In verità, Bert non ha alcun modo di sapere che il suo fotone è già una
replica dell'originale. Solo quando egli apprende il risultato della misurazione
dello stato di Bell, effettuata da Amanda ed a lui trasmessa per via classica,
egli può sfruttare l'informazione nello stato quantico teletrasportato.
CONCLUSIONI
Siamo ancora lontani dal teletrasporto di un oggetto di grandi dimensioni.
I problemi fondamentali sono due:


occorrono due oggetti dello stesso tipo accoppiati;
l'oggetto da teletrasportare e la coppia devono essere sufficientemente isolati
dall'ambiente.
Se una qualunque informazione viene scambiata con l'ambiente, mediante
un'interazione fortuita, lo stato quantico dell'oggetto si degrada in un processo
chiamato "decoerenza". E' difficile immaginare come si possa raggiungere
questo assoluto isolamento per un corpo di dimensioni macroscopiche, per non
parlare di un essere vivente che respira aria e scambia calore con l'esterno. Ma
chi può prevedere gli sviluppi futuri? Certamente potremmo usare la tecnologia
esistente per teletrasportare stati elementari, come quelli dei fotoni su distanze di
pochi chilometri e forse anche fino a satelliti.
La tecnologia per teletrasportare gli stati di singoli atomi è oggi alla nostra portata,
come ha dimostrato il gruppo guidato da Serge Haroche dell'Ecole Normale
Supèrieure di Parigi realizzando l'accoppiamento di atomi.
L'accoppiamento di molecole ed il loro teletrasporto
ragionevolmente previsti entro il prossimo decennio.
possono
essere
Che cosa succederà poi, nessuno lo sa.
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Il Teletrasporto Quantistico dal 1997 ad oggi
I primi esperimenti di teletrasporto quantistico sono stati
effettuati tra il 1993 ed il 1997, da due gruppi di ricerca
internazionali, diretti rispettivamente da Francesco De Martini
dell’Università La Sapienza di Roma e da Anton Zeilinger
dell'istituto di Fisica Sperimentale di Vienna.
Essi riuscirono a teletrasportare lo stato quantico di un fotone.
Nel 2004:
 De Martini effettuò un teletrasporto di fotoni da una parte
all’altra del Danubio, ricoprendo una distanza di 600 metri.

due gruppi di scienziati, uno del National Institute of Standards
and Technology negli Stati Uniti ed uno della Università di
Innsbruck in Austria, riuscirono per la prima volta a
teletrasportare alcune proprietà degli atomi. Gli Americani
lavorarono con atomi di berillio mentre gli Austriaci utilizzarono
atomi di calcio.
Nel 2006:
alcuni ricercatori dell'Istituto Niels Bohr di Copenhagen
teletrasportarono uno stato collettivo da un gruppo di circa
un trilione di atomi ad un altro.
Il teletrasporto applicato agli atomi, cioè alla materia, è un processo
molto fragile rispetto a quello applicato ai fotoni, a causa del
processo di decoerenza che, per colpa delle interazioni con
l’ambiente, distrugge gli effetti quantistici, entanglement compreso.
Nel 2010:
in Cina, i ricercatori dell’Hefei National Laboratory for
Physical Sciences raggiunsero 16km nel teletrasporto di
fotoni senza l’aiuto di fibre ottiche.
Nel 2012:

un gruppo di ricercatori riuscì a teletrasportare l’informazione
relativa ad un complesso sistema di circa 100 milioni di atomi
di rubidio che aveva una grandezza di circa un millimetro.
Lo studio fu condotto da Jian-Wei Pan dell’Hefei National
Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, a cui
collaborò un gruppo di ricercatori della University of Science and
Technology in China e dell’Università di Heidelberg.
Per il teletrasporto gli scienziati prepararono in laboratorio una coppia
entangled di granelli di rubidio. I granelli entangled furono posti a
circa mezzo metro di distanza ed i due sistemi furono poi messi in
collegamento da una fibra ottica, lunga circa 150 metri ed arrotolata
su sé stessa.
Prima del processo di teletrasporto quantistico, gli scienziati
mapparono lo stato di eccitazione degli atomi di rubidio in un fotone
che doveva viaggiare lungo la fibra ottica. Fu possibile realizzare il
teletrasporto facendo interagire il fotone “messaggero” con un altro
fotone e con il secondo sistema di atomi.
Nel 2012:


.
Il team di ricercatori della University of Science and Technology
of China di Shanghai, riuscì a teletrasportare più di 1100
fotoni in 4 ore, ricoprendo una distanza di 97Km di spazio
libero, stabilendo così un nuovo record e superando la distanza di
16km raggiunta nel precedente esperimento del 2010.
Il team di ricerca dell'Optical Ground Station dell'Agenzia
Spaziale Europea (ESA) alle Canarie stabilì un nuovo record
mondiale
di
distanza
nel
teletrasporto
quantistico,
riproducendo le caratteristiche di una particella di luce alla
distanza di 143km (tra il Jacobus Kapteyn Telescope di La Palma
e la Stazione ottica dell'Esa di Tenerife).
Nel 2013:
Un gruppo di fisici del centro di ricerca Quantop al Niels Bohr
Institute della University of Copenhagen è riuscito a
teletrasportare informazioni tra due nubi di atomi di gas di
cesio poste ad una distanza di mezzo metro.
Il teletrasporto di informazioni da una nube all'altra è avvenuto per
mezzo di luce laser, ciascuna nube è stata posta in un contenitore di
vetro ed i due contenitori non sono stati in alcun modo collegati.
Si prevede che il prossimo esperimento di
teletrasporto consisterà in un
teletrasporto quantistico tra
la Terra ed un satellite in orbita
terrestre.
Applicazioni del Teletrasporto Quantistico
Realizzazione di computer e reti quantistiche
estremamente più potenti e più veloci degli attuali
computer e reti classiche.
Scambi di informazioni sicure al 100%.
Difatti: fra la stazione di invio e quella di ricezione, viene
scambiato solo un segnale classico che non permette ad un
estraneo, che lo intercetti, di risalire all'informazione, sotto
forma di stato quantico, che si sta teletrasportando.
Sogno del teletrasporto alla “Star Trek”
Approfondimenti:

La non separabilità quantistica
http://www.scienzaeconoscenza.it/articolo/la-non-separabilita-quantistica.php

Entanglement (un libro su questo misterioso fenomeno fisico)
http://www.quantistica.altervista.org/_private/entanglement.htm

Nuova conferma per l’entanglement
http://scienze.fanpage.it/nuova-conferma-per-l-entanglement-il-piu-grande-mistero-dellafisica/
• Teletrasporto:
http://www.focus.it/tag/teletrasporto.aspx
E per saperne ancora di più:
http://www.lescienze.it/topics/news/onde_gravitazionali-924421/
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QUBIT E COMPUTER QUANTISTICI
Il BIT (binary digit)
è
l’unità di informazione classica.
Il QUBIT o bit quantistico (quantum binary digit)
è
l’unità di informazione quantistica.
I “classici bit” operano su codice binario e possono codificare
solo un valore alla volta: 0 o 1.
I “qubit” basano l’elaborazione dell’informazione sulle leggi
della meccanica quantistica e per il principio della
sovrapposizione quantistica, ovvero l’idea che un oggetto possa
esistere in più stati allo stesso tempo, possono assumere
contemporaneamente lo stato 0 e 1.
In un sistema classico un bit di informazione può essere
rappresentato, per esempio, dalla tensione applicata alle
armature di un condensatore:
il condensatore carico denota il bit 1 e quello non carico il bit 0.
Quantisticamente, un bit d'informazione può essere codificato
usando un sistema a due livelli, come per esempio:
gli stati di spin di un elettrone, le due polarizzazioni della luce.
Cosa è un computer quantistico?
I presupposti per la realizzazione di computer quantistici e di reti
quantistiche, capaci di offrire migliori prestazioni in velocità e
potenza di calcolo, sono forniti dal
TELETRASPORTO QUANTISTICO
ossia, il fenomeno di teletrasporto dei qubit, realizzabile
tramite il fenomeno quantistico dell'entanglement.
In un computer quantistico le
informazioni sono registrate nei qubit
anziché salvate nei bit come avviene
invece in un computer classico.
Quanta informazione può contenere un QUBIT?
In pratica un Qubit non può contenere più
informazione di un bit classico, poiché esso assume
valore 0 o 1 nel momento in cui l’informazione viene
processata.
Un computer quantistico, a livello di informazione
immagazzinata, non presenta dunque vantaggi rispetto
agli attuali computer.
Il vantaggio di un computer quantistico consiste invece in
un aumento esponenziale della capacità di calcolo.
Un processore quantistico in grado di
operare su N Qubit, ha la potenza di
calcolo di un processore classico che opera
su 2N bit.
I computer quantistici sono dunque in
grado di gestire in pochissimi minuti
enormi flussi di dati.
DIFFICOLTÀ TECNOLOGICHE
Le difficoltà tecnologiche da superare per realizzare un computer
quantistico sono molte. Una di queste è la
decoerenza
In altri termini, l’inevitabile interazione con l’ambiente esterno
distruggerebbe in tempi brevissimi la coerenza quantistica, cioè
l’informazione contenuta nel calcolatore quantistico.
Allo stato attuale sono in esame proposte diverse per costruire un
computer quantistico (risonanza magnetica nucleare, trappole
ioniche, sistemi ottici, circuiti superconduttori etc.), ma non è ancora
chiaro quale possa essere la strada con maggiori probabilità di
successo.
Saperne di più su QUBIT e Computer Quantistici
•La prima memoria quantistica:
http://brancaweb.it/index.php?option=com_content&view=article&id=7:la-primamemoria-quantistica-&catid=7:attualita
•QUBIT e Computers Quantistici:
http://www.lescienze.it/topics/news/computer_quantistici-830136/
http://gaianews.it/tag/computer-quantistici
http://www.galileonet.it/articles/51702e3da5717a06f70000c5
http://daily.wired.it/news/tech/2013/09/03/computer-quantistico-bit-qubit-d-wave-lab463737.html
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