Componente di computer quantistico

Il controllo di oggetti microscopici, come gli atomi, i costituenti della materia, e i fotoni, le particelle che formano la luce, è uno dei percorsi più complessi della fisica moderna. Questi studi però sono alla base di quelli che saranno i computer quantistici: questi oggetti possono essere preparati in stati molto particolari, chiamati “sovrapposizioni quantistiche”. A questi stati possono essere associati dei valori logici di un bit 0 oppure 1, ma anche stati logici che non possono esistere in un computer classico, bit che sono contemporaneamente 0 e 1 allo stesso tempo. Sfruttare questi bit quantistici permetterà di scrivere programmi in grado di simulare molecole complesse, come quelle dei farmaci, in tempi molto più rapidi di quelli dei computer attuali.

Però, come facciamo a trasferire il valore di un bit quantistico da un atomo all’altro? La teoria quantistica ci vieta molte operazioni che sono comuni con i bit normali: i bit quantistici non possono essere né copiati, né letti. Questo non ne influenza le capacità di calcolo, ma non ci permette di usare gli stessi metodi dei bit ordinari per spostare l’informazione. La soluzione si chiama teletrasporto.

Il teletrasporto quantistico non ha nulla a che vedere con quello delle serie televisive come Star Trek: a essere teletrasportata è l’informazione, non la materia! Ciò che accade è che, attraverso l’uso di fotoni, si può spostare l’informazione da un atomo all’altro – anche se gli atomi stessi non lasciano mai la loro posizione. Questa ipotesi è stata recentemente verificata da un gruppo di ricerca in Danimarca.

Diversi gruppi hanno dimostrato il teletrasporto, a cominciare dalle prime dimostrazioni avvenute alla Sapienza di Roma e all’università di Innsbruck 15 anni fa.  Il gruppo danese è riuscito per la prima volta a teletrasportare uno “stato di sovrapposizione” tra due celle di gas di rubidio.  Questa operazione è resa possibile dall’uso di luce quantistica come canale di comunicazione tra i gas: questa viene preparata in uno stato quantistico fortemente correlato a quello della cella di gas su cui si vuole scrivere per poi essere inviata sulla cella su cui è stato scritto lo stato quantistico da teletrasportare. La presenza di correlazioni quantistiche permette così di trasferire l’informazione dalla cella di partenza a quella finale.

Anche se potessimo leggere lo stato quantistico di partenza, questa operazione richiederebbe uno scambio di informazione infinito per ricostruire lo stesso stato sulla cella finale solo con metodi classici. Grazie all’uso di luce quantistica e fortemente correlata con la cella finale, questa operazione si può effettuare in un sol colpo.

L’importanza di questo lavoro è fondamentale: si è dimostrato che il teletrasporto è possibile non solo con oggetti microscopici, ma anche con gas che occupano una celletta di diversi centimetri. Tali studi ci aiuteranno a comprendere perché gli stati di sovrapposizione non fanno parte della nostra esperienza quotidiana e come il mondo che vediamo emerge dalla leggi quantistiche che ne regolano i meccanismi elementari.

Marco Barbieri