Fononi intrappolati: la comunicazione quantistica fa un passo avanti

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18 Giugno 2020

Le tecniche di comunicazione quantistica fanno un passo avanti: intrecciando due nodi di comunicazione usando i fotoni a microonde (e in un secondo articolo i fononi) è stato possibile inviare informazioni quantomeccanicamente tra i nodi, senza mai occupare il canale di collegamento.

La comunicazione quantistica sfrutta una proprietà particolarissima e davvero poco intuitiva della meccanica quantistica secondo cui in cui le particelle possono essere intrecciate quantomeccanicamente e questo “entanglement“, come si dice in inglese, può sopravvivere a grandi distanze.

Un cambiamento in una particella ne provoca uno nell’altra anche se esse si trovano lontane l’una dall’altra.

La comunicazione quantistica sfrutta questo fenomeno codificando le informazioni nelle particelle.

L’invio di informazioni quantistiche è difficile: per ora i segnali sono spesso corrotti o persi, deboli o incoerenti.

La questione non è affatto semplice però: l’invio di informazioni quantistiche tramite fotoni su canali tradizionali, come le linee in fibra ottica, è difficile. I fotoni che trasportano le informazioni sono spesso corrotti o persi, rendendo i segnali deboli o incoerenti. Spesso un messaggio deve essere inviato più volte per assicurarsi che sia passato.

D’altra parte il grande vantaggio di inviare informazioni attraverso particelle, in genere fotoni aggrovigliati, ha il grande potenziale di poter diventare il canale di comunicazione sicuro per eccellenza in quanto non solo è quasi impossibile intercettare la comunicazione quantistica, ma coloro che provassero a farlo lascerebbero una prova indelebile del loro tentativo di corruzione del segnale.

Se ti interessa capire qualcosa di più sull’ entanglement quantistico, abbiamo spiegato la cosa un po’ meglio qui:

 

In un nuovo articolo, gli scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell’Università di Chicago hanno dimostrato una nuova tecnica di comunicazione quantistica.

 

Audrey Bienfait fa parte di un team che ha impigliato due fononi per la prima volta, aprendo la porta a potenziali nuove tecnologie. Credito: Nancy Wong

 

Collegando due nodi di comunicazione con un canale, mostrano che questa nuova tecnica può inviare informazioni quantomeccanicamente tra i nodi, senza mai occupare il canale di collegamento.

La ricerca sfrutta il fenomeno quantico di entanglement tra i due nodi e mostra una potenziale nuova direzione per il futuro della comunicazione quantistica.

La ricerca si unisce a un secondo articolo recentemente pubblicato, in cui lo stesso gruppo ha intrecciato per la prima volta due fononi, le particelle quantistiche del suono, aprendo la porta a potenziali nuove tecnologie.

Entrambi gli articoli rappresentano un nuovo modo di approcciare la tecnologia quantistica.

Ha affermato il team leader Andrew Cleland, professore di ingegneria molecolare presso la Pritzker Molecular Engineering e scienziato senior presso Argonne National Laboratory che continua

Siamo entusiasti di ciò che questi risultati potrebbero significare per il futuro della comunicazione quantistica e dei sistemi quantistici a stato solido.

 

Fotoni e fononi aggrovigliati sfidano l’intuizione: queste particelle possono essere intrecciate quantomeccanicamente, un intreccio che può sopravvivere a grandi distanze. Un cambiamento in una particella ne uno nell’altra. La comunicazione quantistica sfrutta questo fenomeno codificando le informazioni nelle particelle.

Cleland voleva trovare un metodo per inviare informazioni quantistiche senza perderle nella trasmissione. Lui e il suo team, tra cui lo studente laureato PME Hung-Shen Chang, hanno sviluppato un sistema che intrecciava due nodi di comunicazione usando i fotoni a microonde, gli stessi fotoni utilizzati nel telefono cellulare, attraverso un cavo a microonde. Per questo esperimento, hanno usato un cavo a microonde lungo circa un metro. Accendendo e spegnendo il sistema in modo controllato, sono stati in grado di intrecciare i due nodi e inviare informazioni tra loro, senza mai dover inviare fotoni attraverso il cavo.

In linea di principio, questo funzionerebbe anche su una distanza molto più lunga. Sarebbe molto più veloce ed efficiente dei sistemi che inviano fotoni attraverso canali in fibra ottica.

Ha affermato Cleland.

Sebbene il sistema abbia dei limiti, deve essere per esempio tenuto molto freddo, a temperature di alcuni gradi superiori allo zero assoluto, potrebbe potenzialmente funzionare a temperatura ambiente con atomi anziché fotoni. La strada è ancora lunga, ma il sistema di Cleland fornisce un maggiore controllo rispetto ai sistemi precedenti e lui e il suo team stanno continuando con gli esperimenti.

 

 

Aggrovigliare i fononi con la stessa tecnica

Le particelle aggrovigliate possono essere anche altre e non si limitano solo a fotoni o atomi. In un secondo articolo pubblicato il 12 giugno sulla rivista Physical Review X, Cleland e il suo team hanno aggorvigliato due fononi per la prima volta in assoluto.

Utilizzando un sistema costruito per comunicare con i fononi, simile al sistema di comunicazione quantistica dei fotoni, il team ha impigliato due fononi a microonde (che hanno una frequenza circa un milione di volte maggiore di quella che si possa sentire con l’orecchio umano).

Una volta che i fononi sono stati intrappolati, il team ha usato uno dei fononi come un “araldo”, che è stato usato per influenzare il modo in cui il loro sistema quantistico ha usato l’altro fonone. L’araldo ha permesso al team di eseguire un cosiddetto esperimento di “gomma da cancellare quantistica”, in cui sono state cancellate le informazioni  da una misurazione, anche dopo che la misurazione stessa è stata completata.

Sebbene i fononi presentino molti svantaggi rispetto ai fotoni, ad esempio, tendono ad avere una vita più breve, interagiscono fortemente con un numero di sistemi quantici a stato solido che potrebbero non interagire fortemente con i fotoni. I fononi potrebbero quindi fornire un modo migliore per accoppiarsi a questi sistemi.

 

 

 

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giovedì 18 Giugno 2020 - 10:25
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