27 aprile 2018
Tre studi pubblicati su "Science" segnano unpunto di svolta per lo sfruttamento dell'entanglementa fini pratici: questo fenomeno quantistico èstato dimostrato per un gra
scienceGli esperti già la chiamano la secondarivoluzione quantistica. Dopo la prima grandestagione di scoperte pionieristiche dei primi decennidel Novecento e le conoscenze seguite per tuttoun secolo, i tempi sembrano maturi per applicarequeste conoscenze a fini pratici, nelle tecnologiedel calcolo automatico, delle telecomunicazioni edei sensori.La svolta arriva da una sempre maggiore capacitàdi manipolare e controllare gli oggetti del micromondocon un'elevata precisione e stabilità nel tempo.La riprova di questa nuova fase delle applicazioniquantistiche si può avere sfogliando le pagine di"Science" che questa settimana pubblica ben trearticoli sull'argomento, frutto di altrettante ricercheindipendenti. Cuore della ricerca, in tutti e tre i casi,è lo sfruttamento del fenomeno quantistico dell'entanglement.Il termine si riferisce alla possibilità, grazie a un'opportunapreparazione sperimentale, di mettere in correlazione traloro gli stati quantistici di sistemi microscopici, sianoessi fotoni, atomi o altre particelle.Ora, questa correlazione ha una caratteristicastraordinaria, che non mancò di sconvolgere molti grandifisici tra cui Albert Einstein: se si conduce una misurazionequantistica su una delle due particelle, questa fa"collassare" lo stato della particella su un dato valore.E corrispondentemente, fa collassare lo stato dellaseconda particella su un altro valore, correlato al primo.Questo fenomeno di precipitazione coordinata deisistemi quantistici avviene in modo istantaneo, anchese apparentemente non c'è stata alcuna comunicazionetra i due. E il dato ancora più sorprendente è cheil fenomeno vale anche se tra le due particelle vieneinterposta una distanza arbitraria, al punto che aquesta comunicazione istantanea è stato attribuitoun nome mutuato dalla fantascienza: teletrasportoquantistico.
Illustraizone dell'entanglement tra dueparticelle (Science Photo Library RF / AGF)Dopo molti decenni di riflessioni teoriche su comeavrebbe potuto manifestarsi, il teletrasportoquantistico è stato dimostrato sperimentalmentea partire dalla fine degli anni novanta, consistemi microfisici sempre più vari e semprepiù complessi, tanto da alimentare una seriedi studi su come sfruttare il teletrasporto, peresempio, per far comunicare tra loro le unità dibase di un ipotetico computer quantistico, in cuisistemi di dimensioni atomiche o molecolaripossono sostituire i componenti elettronici deicomputer convenzionali.Una delle difficoltà maggiori in questo campo diricerca è che l'entanglement è una proprietàestremamente delicata e volatile.La sua generazione richiede operazioni estrema-mente precise e livelli di rumore molto bassi.Ci sono generalmente due approcci per l'entanglament.Il primo richiede la capacità di controllare ciascunaparticella e di metterla in entanglement con un'altracon interazioni appropriate. Usando questa strategia,i fisici sono riusciti, per esempio, a realizzare statientangled di un massimo di 10 fotoni e 20 ioni.Il secondo approccio riguarda il confinamentodelle particelle e l'applicazione di operazioni globalicontrollate al fine di farle interagire collettivamenteed evolvere in uno stato entangled.Questa idea è stata usata per intrappolare migliaiadi atomi nei condensati di Bose-Einstein, uno statodi materia mantenuto a temperature estremamentebasse in cui tutti gli atomi si comportano collettivamentecome se fossero un'unica entità fisica.In questo secondo caso, il numero di particelle coinvolteè enorme ma la mancanza di controllo sulle singoleentità implica che si tratta di un approccio difficilmenteapplicabile ai compiti di informazione quantistica.I tre studi pubblicati da "Science" hanno usato tutti ilsecondo approccio dimostrando un passo importanteverso un maggiore controllo sull'entanglement cheviene prodotto. In ciascun caso gli autori hannoprodotto una nube di atomi ultrafreddi e li hannosuccessivamente separati, dimostrando poi l'esistenzadell'entanglement tra le due nubi più piccole seguendotre approcci diversi.
Nel primo articolo, Matteo Fadel, dell'Università di Basilea,in Svizzera, e colleghi, hanno utilizzato alcune centinaiadi atomi di rubidio-87.Karsten Lange della Leibniz Universität ad Hannover,in Germania, e colleghi, autori del
secondo articolo,hanno utilizzato un campione di ben 20.000 atomi dirubidio-87, riuscendo a indurre l'entanglement su circa 5000.
Nel terzo articolo, Philipp Kunkel, dell'Università diHeidelberg, in Germania, e colleghi, hanno utilizzatosempre atomi di rubidio-87 arrivando a 11.000 atomitutti entangled.I tre articoli dimostrano dunque la flessibilità deicondensati di Bose-Eistein nella generazione e nellarilevazione dell'entanglement con campioni di atomidi diverse dimensioni, da alcune centinaia a diversemigliaia. Al di là degli aspetti tecnici, si tratta di unapietra miliare per le possibilità applicative.