Mille miliardi
di atomi intrappolati
I fisici
compiono il primo passo verso il teletrasporto pratico
13
novembre 2001
Un gruppo di ricercatori
in Danimarca ha fatto interagire due campioni di mille miliardi
di atomi (1012) ad una distanza
tale che, l'esperimento effettuato, potrebbe portare il teletrasporto
stile Star Trek ed il calcolo veloce quantistico più
vicini alla realtà. Per anni, i fisici hanno sfruttato
un fenomeno quantistico, conosciuto come “intrappolamento”,
per intrecciare gli stati quantistici di atomi carichi o ioni.
Eugene S. Polzik e collaboratori dell’Università
di Aarhus in Danimarca, pubblicano i risultati dell’esperimento
su Nature, già annunciato
a giugno in forma preliminare alla prima Conferenza Internazionale
sull’informazione Quantistica, sponsorizzata in parte dall’Optical
Society of America e dall’American Physical Society.
E. Polzik e colleghi non stanno certo per mettere nessuno
nel famoso fascio di energia che conduce all'Enterprise, né,
tanto meno, l'esperimento realizzato implica la scomposizione
e ricomposizione degli esseri umani. Le ricerche del team invece,
rendono l’idea del trasporto istantaneo di un oggetto da
un posto all’altro assai meno improbabile che in passato.
Gli scienziati avevano predetto che la stranezza della meccanica
quantistica avrebbe portato a sistemi di calcolo e comunicazione
di una potenza senza precedenti. Nell’inseguimento di questi
obiettivi, i ricercatori si sono sforzati di controllare il
fragile, fugace stato quantistico di minuscole particelle. Adesso,
un modo relativamente semplice e robusto di manipolare gli stati
quantistici, potrebbe permettere di riprodurre più o
meno istantaneamente la disposizione di un insieme di particelle
simile a quella di particelle distanti. In questo modo, un messaggio
codificato in fotoni di luce, potrebbe essere trasmesso da un
posto all’altro senza mandare i fotoni attraverso lo spazio
intercorrente.
Una delle caratteristiche più profonde della fisica quantistica
è l’intrappolamento, descritto una volta da A. Einstein
come “un’azione sinistra a distanza”. Si tratta
di una speciale interrelazione tra oggetti in cui la misurazione
di uno, istantaneamente influenza l’altro, anche quando
si trovano nella condizione di completo isolamento reciproco.
La visione di tutti i giorni degli atomi è solida, oggetti
indipendenti un po’ come palle da biliardo, ma in accordo
con la teoria quantistica, gli atomi sono lontani dall’essere
realtà tangibili.
Nessun precedente intrappolamento con atomi aveva coinvolto
più di quattro particelle. Inoltre, gli atomi erano stati
intrappolati solo in stretta vicinanza, sia come ioni distanti
pochi micron in minuscole trappole, oppure come atomi volanti
su brevi percorsi all’interno di cavità ristrette.
Inoltre, nelle prime ricerche, gli ioni singoli dovevano essere
raffreddati con temperature molto vicine allo zero assoluto.
1
Il team ha coordinato gli stati quantistici di due nuvole di
atomi sfruttando una scappatoia nel principio di indeterminazione
di Heisenberg.
2
Quando due nuvole si trovano in uno stato intrappolato, è
possibile calcolarne le proprietà collettive, per esempio,
il cosiddetto stato totale di spin. Cambiamenti in una
nuvola sono speculari ai cambiamenti nell’altra, il che
mantiene costanti le proprietà collettive di entrambe
le nuvole.
Le entità intrappolate hanno uno stato quantistico coordinato.
Per esempio, se una particella in una coppia intrappolata ha
un campo magnetico orientato verso l’alto, il cosiddetto
spin, la sua partner di spin si dirige verso il basso. Lo spin
tuttavia rimane nascosto fino a quando non viene effettuata
una misurazione in una delle due particelle partner. In esperimenti
alla scala più piccola, ogni ione era intrappolato con
tutti gli altri. La ricerca del team di Aarhus descrive una
tecnica che tratta grandi insiemi atomici come se fossero singole
entità quantistiche.
Si potrebbe, per fare un esempio, descrivere lo stato quantistico
di una particella anche come la “testa o croce” di
una moneta. Tali particelle possono esistere anche in una “superposizione”
(entrambi gli stati per volta), paragonabile ad una moneta che
ruota nell’aria prima di cadere a terra. Quando noi lanciamo
due monete alla volta, i loro risultati sono indipendenti: se
una è testa l’altra potrebbe essere testa o croce.
Due particelle quantistiche intrappolate, al contrario, hanno
destini interdipendenti: se una è in uno stato di “testa”,
per esempio, l’altra deve essere in uno stato di “croce”.
Mantenere questa specie di superposizione è molto difficile
e per qualsiasi applicazione pratica, l’intrappolamento
deve includere migliaia, o addirittura milioni di particelle.
Come può essere mantenuto qualcosa di così delicato?
Polzik e colleghi rinunciano ad un intrappolamento pieno, in
cui lo stato di una particella dipende dallo stato di tutte
le altre. Invece, essi creano due nuvole di gas di cesio debolmente
intrappolate, una con gli atomi in leggera prevalenza nello
stato di “testa”, l’altra nello stato di “croce”.
(Questi due stati sono effettivamente definiti dalle direzioni
dei campi magnetici degli atomi). Il team riesce a mantenere
le due nuvole in un debole intrappolamento per più di
mezzo millisecondo. Essi sperano di mantenerlo più a
lungo in futuro, e forse di raggiungere la stessa cosa in campioni
solidi necessari per realizzare computer quantistici.
Nell’esperimento,
i ricercatori sparano un fascio di luce tra due campioni di
gas cesio, ognuno contenuto in una speciale capsula di vetro
della lunghezza di tre cm rivestita all’interno di paraffina.
Per preservare il fragile intrappolamento, il team ha schermato
le nuvole atomiche da disturbi esterni usando un campo magnetico
per intrappolare gli atomi all’interno delle due capsule.
Il fascio laser cambia lo “spin collettivo” di ogni
campione, che in un certo senso, descrive la direzione di rete
in cui si sommano tutti i minuscoli magneti degli atomi. Per
prima cosa, i ricercatori hanno misurato la somma dei due spin
collettivi senza conoscere lo spin collettivo di ciascun campione.
Una successiva misurazione, un millisecondo più tardi,
mostra che la somma rimane la stessa. Questo dimostra che i
due campioni di gas mantengono la loro speciale interrelazione,
e sono intrappolati. I due campioni si trovano proprio a pochi
millimetri di distanza, ma potevano essere separati, anche a
distanze molto più lunghe. Una volta entrato nella capsula,
l’impulso, diventa intrappolato con lo spin della nuvola,
creando il primo intrappolamento fotone-atomo, dice Polzik.
Finalmente, con l’azione di misurazione del nuovo impulso,
i ricercatori forzano gli spin delle nuvole all’intrappolamento.
“L’esperimento mostra che è possibile creare
un intrappolamento con oggetti macroscopici, e di farlo usando
solo una luce laser – vale a dire che si può fare
anche quando gli oggetti sono separati da distanze notevoli,”
dice il team leader E. Polzik. “Abbiamo anche mostrato
che lo stato persiste per un lungo tempo, perfino a temperatura
ambiente.”
Spiega Polzik in un’intervista telefonica rilasciata a
Nature:
“Abbiamo prodotto un intrappolamento a distanza che significa
che tu ed io possiamo condividere oggetti intrappolati, fattore
importante per la comunicazione quantistica, compreso il teletrasporto.”
D.: Cosa è stato fatto e perché è
importante?
R.: Abbiamo dimostrato per la prima volta la generazione
di intrappolamenti di lunga durata, una caratteristica di solito
attribuita a particelle microscopiche, per due oggetti materiali
macroscopici. Questo è di interesse fondamentale. Abbiamo
ottenuto l’intrappolamento mediante interazione dei due
campioni solamente con un impulso di luce, vale a dire che i
campioni possono essere sistemati ad una distanza considerevole
l’uno dall’altro. Questo lo rende il primo tipo di
intrappolamento utilizzabile per il teletrasporto di stati atomici
ed altri tipi di comunicazioni quantistiche tra “celle
di memoria” atomica a distanza.
D.: Quale proprietà degli atomi è coinvolta?
Quando la misurazione è condotta su una nuvola, anche
l’altra nuvola assume le stesse proprietà oppure
quelle di tipo complementare?
R.: Le variabili intrappolate sono le proiezioni collettive
degli spin dei due campioni. Qui c’è un’illustrazione.
Immaginiamo un vettore che punta dal centro della terra verso
qualche punto in superficie, diciamo l’intersezione della
2a Avenue e la 71a Strada a Manhattan. Questo vettore rappresenta
uno spin collettivo dell’insieme atomico. Tuttavia, la
natura ci impedisce di prevedere l’esatta direzione di
questo vettore, sappiamo che molto probabilmente punterà
verso l’intersezione sopra citata, ma può effettivamente
dirigersi verso un qualsiasi punto a Manhattan. Questo è
dovuto al principio di indeterminazione di Heisenberg. Lo stato
intrappolato di due spin sarà rappresentato in questa
figura da due vettori con orientamenti complementari in due
pianeti distanti. Questo è ciò che non possiamo
ancora prevedere, cioè quale orientamento ha ogni vettore.
Tuttavia, se noi decidiamo di misurare una componente Est-Ovest
e troviamo che sul primo pianeta cade da qualche parte lungo
la 2a Avenue, allora sul secondo pianeta sarà trovata
necessariamente lungo la 4a Avenue. D’altro canto se noi
decidiamo di guardare alla componente Nord-Sud e la troviamo
lungo la 71a Strada sul primo pianeta, allora sul secondo pianeta
assumerà il valore lungo la 73a Strada. Questa è
una specie di “azione sinistra a distanza” che rese
infelice Einstein a proposito della meccanica quantistica, e
che determina lo stato dello spin su un pianeta per mezzo della
misurazione dello spin sull’altro pianeta. Da notare che
ognuno di questi spin, preso separatamente, ha uno stato non
ben definito (di spin) a causa del principio di indeterminazione
di Heisenberg.
D.: Come viene creato e verificato l’intrappolamento?
R.: Dall’esempio di sopra risulta chiaro che per
poter creare lo stato intrappolato di spin è necessario
assicurarsi che i vettori dei due spin siano simmetrici rispetto
a qualche asse noto (la linea dal centro della Terra all’angolo
tra la 3a e la 72a nell’esempio che rappresenta tale asse).
Tale conoscenza a priori dei due spin non è vietata dalla
natura (meccanica quantistica) a differenza della conoscenza
a priori dell’esatta direzione di uno spin. Matematicamente
questo asse è orientato lungo la somma dei vettori dei
due spin. Pertanto il trucco è proprio di trovare un
metodo per misurare la somma dei due spin con sufficiente accuratezza
(quantistica), e senza cambiare questa somma a causa della misurazione.
Questa misurazione è esattamente ciò che abbiamo
fatto sperimentalmente. Per dimostrare che lo stato intrappolato
è stato generato e mantenuto per un certo tempo, noi
eseguiamo un’altra misurazione dopo un certo intervallo
di tempo. Se la seconda misurazione fornisce gli stessi risultati
per la somma dei due spin come la prima, è chiaro che
la somma dei due spin tra le due misurazioni è stata
equivalente a questo valore noto.
D.: Quanto sono distanti le celle?
R.: Le celle non sono state distanti che pochi millimetri,
solo per la convenienza di sistemarle dentro un campo magnetico,
la distanza più grande tra gli oggetti che possono essere
intrappolati in questo modo è fissata dalle dispersioni
che la luce acquisisce mentre si propaga lungo tale distanza.
Se la luce è mandata attraverso l’aria, allora la
distanza utile più grande sarà di circa un chilometro
o giù di lì. Se la luce è mandata da una
fibra, la distanza maggiore per la luce attualmente usata di
850 nm sarà anch’essa intorno al chilometro. Tuttavia,
se utilizziamo lunghezze d’onda per telecomunicazioni (a
patto che si possa trovare un tipo di atomo adatto che funzioni
a tali lunghezze d’onda) questa distanza può raggiungere
i dieci km. Ulteriori aumenti di distanza hanno bisogno di nuove
idee, alcune delle quali sono state già discusse.
D.: Confrontato ai precedenti esperimenti in cui due
o al massimo quattro particelle sono state intrappolate, questo
stato di intrappolamento è davvero più grande
di mille miliardi?
R.: No. In un certo senso l’intrappolamento di una
proprietà collettiva di due campioni di atomi è
equivalente a quello di due particelle. Sorprendentemente si
è proprio rivelato più semplice intrappolare due
oggetti macroscopici distanti che non due atomi singoli. Così
i due tipi di intrappolamento possono essere utili per propositi
diversi.
“E’ la prima volta che due diversi campioni atomici
sono stati intrappolati in questo modo – usando la luce
– perfino se i campioni sono separati da una certa distanza,”
dice in un commento su Nature Ignacio Cirac, fisico quantistico
dell’Università di Innsbruck in Austria. Cirac crede
che seguiranno ulteriori esperimenti che potrebbero rivoluzionare
il campo dell’informazione quantistica. “Questo lavoro
– aggiunge - dovrebbe spianare la strada per una nuova
generazione di esperimenti verso gli stati di teletrasporto
della materia. Ora che l’esperimento è stato fatto,
dovrebbe essere relativamente semplice intrappolare più
di due campioni atomici, o teletrasportare gli stati quantistici
dei campioni.”
H. Jeff Kimble, del California Institute of Technology a
Pasadena, lo considera “un esperimento spettacolare ed
un avanzamento significativo nelle capacità sperimentali
nei sistemi quantistici.” Nel 1998 quello che era stato
descritto come il primo esperimento di teletrasporto, fu fatto
quando gli scienziati del California Institute of Technology
teletrasportarono un fascio di luce attraverso un banco di laboratorio.
Kimble, Polzik e colleghi intrappolarono fasci di laser contenenti
innumerevoli fotoni, teletrasportando uno stato quantistico
da un fascio all’altro.
Mentre la comodità tecnica di intrappolare nuvole di
atomi con questo metodo è molto affascinante, usare insiemi
di particelle presenta anche degli inconvenienti, nota Wolfgang
Tittel dell’Università di Ginevra. Per esempio,
le informazioni immagazzinate come stati quantistici potrebbero
corrompersi più facilmente in tali nuvole che non in
particelle singole.
Sebbene tali trasferimenti potrebbero essere importanti nella
futura tecnologia della comunicazione quantistica, i fotoni
non sono fatti di materia. Gli scienziati prevedono che sia
le comunicazioni quantistiche che il processamento delle informazioni
richiedano materia, come gli atomi, per controllare il calcolo
dei dati e l’immagazzinamento in memoria. Secondo Tittel
sembra che adesso lo scenario sia pronto: il prossimo passo
sarà il teletrasporto tra ammassi di materia.
Note:
1
La temperatura assoluta si misura in gradi Kelvin, 0° K corrispondono a –273°
C. back
2
Il principio di indeterminazione formulato da W. Heisenberg (1927) afferma sostanzialmente
che è impossibile conoscere simultaneamente, attraverso una determinazione
sperimentale, due grandezze coniugate (nel senso della meccanica analitica), quali
ad esempio la posizione e la quantità di moto di una particella, con una
accuratezza sufficientemente grande.
Werner Heisenberg, I principi fisici
della teoria dei quanti, Torino (1953). back
Riferimenti:
Brian Julsgaard, Alexander Kozhekin & Eugene S. Polzik, Experimental long-lived
entanglement of two macroscopic objects, Nature 413, 400-403 (27 September 2001)
Ignacio J. Cirac, Entangled atomic samples, Nature 413, 375 (27 September
2001)
Ulteriori
letture:
Peterson, I.:
-
Quantum games, Science News, 156 (20 Nov. 1999):334
- Instant transport, Science
News, 153 (17 Jan. 1998):41.
Weiss, P.:
1999, Quantum internet, Science
News, 155 (3 Apr. 1999):220.
2000, Four ions mingle in quantum chorus, Science
News
© Alessandro Mura
