redits: University of Rochester photo / J. Adam Fenster

Il teletrasporto quantistico è un passo importante per migliorare il calcolo quantistico

Beam me up” è uno dei tormentoni più famosi della serie di Star Trek. È il comando che un personaggio della saga dava quando desiderava teletrasportarsi da una posizione remota verso l’astronave Enterprise.

Mentre il teletrasporto umano esiste solo nella fantascienza, il teletrasporto è possibile nel mondo subatomico della meccanica quantistica, ma non nel modo tipicamente televisivo. Nel mondo quantistico il teletrasporto comporta il trasporto di informazioni, piuttosto che il trasporto di materia.

L’anno scorso gli scienziati hanno confermato che l’informazione può essere trasmessa tra fotoni su chip di computer anche quando i fotoni non sono fisicamente collegati.

Ora, secondo nuove ricerche dell’Università di Rochester e della Purdue University, il teletrasporto può essere possibile anche tra elettroni.

In un articolo pubblicato su Nature Communications e uno da pubblicare su Physical Review X, i ricercatori, tra cui John Nichol, assistente professore di fisica a Rochester e Andrew Jordan, professore di fisica a Rochester, esplorano nuovi modi di creare interazioni quantistico-meccaniche tra elettroni lontani. La ricerca è un passo importante nel miglioramento del calcolo quantistico, che, a sua volta, ha il potenziale di rivoluzionare la tecnologia, la medicina e la scienza fornendo processori e sensori più veloci ed efficienti.

Azione spettrale a distanza

Il teletrasporto quantistico è una dimostrazione di ciò che Albert Einstein ha notoriamente chiamato “azione spettrale a distanza“, nota anche come entanglement quantistico. Nell’entanglement – uno dei concetti di base della fisica quantistica – le proprietà di una particella influenzano le proprietà di un’altra, anche quando le particelle sono separate da una grande distanza. Il teletrasporto quantistico coinvolge due particelle lontane intrecciate in cui lo stato di una terza particella “teletrasporta” istantaneamente il suo stato alle due particelle intrecciate.

Il teletrasporto quantistico è un mezzo importante per trasmettere informazioni nel calcolo quantistico. Mentre un tipico computer consiste di miliardi di transistor, chiamati bit, i computer quantistici codificano l’informazione in bit quantistici, o qubit. Un bit ha un singolo valore binario, che può essere sia “0” che “1”, ma i qubit possono essere sia “0” che “1” allo stesso tempo. La capacità dei singoli qubit di occupare simultaneamente più stati è alla base della grande potenza potenziale dei computer quantistici.

Gli scienziati hanno recentemente dimostrato il teletrasporto quantistico utilizzando fotoni elettromagnetici per creare coppie di qubit remote intrecciate.

I Qubit realizzati da singoli elettroni, tuttavia, sono anche promettenti per la trasmissione di informazioni nei semiconduttori. “I singoli elettroni sono qubit promettenti perché interagiscono molto facilmente tra loro e i qubit di singoli elettroni nei semiconduttori sono anche scalabili“, dice Nichol. “Creare in modo affidabile interazioni a lunga distanza tra gli elettroni è essenziale per il calcolo quantistico“.

La creazione di coppie intrecciate di qubit di elettroni che si estendono su lunghe distanze, necessaria per il teletrasporto, si è però rivelata una sfida: mentre i fotoni si propagano naturalmente su lunghe distanze, gli elettroni di solito sono confinati in un unico luogo.

Coppie di elettroni intrecciati

Per dimostrare il teletrasporto quantistico con l’uso di elettroni, i ricercatori hanno sfruttato una tecnica sviluppata di recente basata sui principi dell’accoppiamento di scambio 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 del polo – se il polo nord è rivolto verso l’alto o verso il basso, per esempio – è nota come momento magnetico dell’elettrone o stato di spin quantistico. Se alcuni tipi di particelle hanno lo stesso momento magnetico, non possono trovarsi nello stesso posto nello stesso momento. Cioè, due elettroni nello stesso stato quantistico non possono stare l’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 di elettroni intrecciati e teletrasportare i loro stati di spin.

Noi forniamo la prova dello ‘scambio di entanglement‘, in cui creiamo entanglement tra due elettroni anche se le particelle non interagiscono mai, e del ‘teletrasporto quantistico di gate‘, una tecnica potenzialmente utile per il calcolo quantistico che utilizza il teletrasporto“, dice Nichol. “Il nostro lavoro dimostra che questo può essere fatto anche senza fotoni“.

I risultati spianano la strada a future ricerche sul teletrasporto quantistico che coinvolgono gli stati di spin di tutta la materia, non solo dei fotoni e forniscono maggiori prove delle capacità sorprendentemente utili dei singoli elettroni nei semiconduttori a qubit.

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