La comunicazione quantistica Controfattuale
lo sviluppo di un nuovo protocollo di trasmissione e un innovativo apparato sperimentale che cambieranno il modo di comunicare le informazioni senza far uso di interazioni con il mezzo che le trasporta.
Quando nel 1967 il sociologo americano Marshall McLuhan rese celebre la frase “il medium è il messaggio” non aveva ancora evidenza che, almeno per il mondo fisico delle particelle, questa espressione non fosse completamente vera.
Nella realtà comune l’informazione viaggia trasportata da particelle oppure tramite onde nella stessa direzione e verso. In meccanica quantistica può accadere invece che il mezzo e il contenuto della comunicazione possono viaggiare in maniera disgiunta.
Questo tipo di comunicazione viene definita “controfattuale” e, in maniera contro intuitiva, si può avere una trasmissione di informazioni in direzione opposta a quella del mezzo, ovvero della particella . Il fenomeno venne descritto per la prima volta da Elitzur e Vaidman nel 1993 come “interaction-free non-locality”.
A mostrare sperimentalmente che il principio può essere efficacemente utilizzato per la trasmissione di segnali non legati ad una particella oppure alla traiettoria di una funzione d’onda, è un team di fisici coordinati dall’Università di Vienna, insieme all’Università di Cambridge (UK) e al MITdi Boston. I risultati dello studio sono pubblicati su NPJ Quantum Information.
In una comunicazione standard tramite uso di onde elettromagnetiche, basata quindi sull’invio di fotoni — i quanti di luce che rappresentano il segnale — l’informazione e i singoli fotoni viaggiano nella stessa direzione, nello stesso verso e con la stessa velocità, come dire che il piccione e la lettera vanno insieme seguendo lo stesso percorso.
In un conduttore percorso da corrente continua è il campo elettrico che si propaga ad una velocità prossima a quella della luce, che corrisponde alla velocità con la quale viene trasportata l’informazione associata alla variazione di corrente elettrica nel tempo. La velocità del moto ordinato delle cariche elettriche -elettroni- che costituiscono la corrente, risulta invece molto più bassa e dell’ordine dei millimetri al secondo. Tale velocità è detta velocità di deriva del moto globale medio della corrente nel conduttore.
In meccanica quantistica è possibile trasmettere un messaggio da A a B senza che le particelle che lo trasportano interagiscano con A. Alla base di questo fenomeno paradossale c’è un complesso fenomeno fisico, come il dualismo onda-particella e l’effetto Zenone quantistico. L’effetto, noto comunemente come “paradosso della freccia”, può essere rappresentato per certi versi, al ben più famoso paradosso del moto dei filosofi presocratici, usato per descrivere la situazione in cui c’è una freccia in volo. Se la si fissa in un determinato istante, questa occupa una certa posizione, in quell’istante, e ci appare ferma. Quindi la freccia, pur in volo, sembra non muoversi (o così ci sembra), ma sembrerebbe non potersi muovere neppure a livello potenziale, dovendo attraversare infinite posizioni contigue in un intervallo di tempo finito. A livello quantistico il risultato è che si può trasmettere una sequenza di informazioni (bit 0 o 1) senza la necessità di interazione con il fotone.
Questo particolare effetto è legato ad uno fra gli aspetti più esotici della meccanica quantistica, rispetto alla realtà così come la percepiamo, il venir meno del principio di località che afferma una cosa apparentemente ovvia:
oggetti distanti non possono avere influenza istantanea l’uno sull’altro; un oggetto è influenzato direttamente solo dalle sue immediate vicinanze.
Una violazione del senso comune che può dar luogo a vari fenomeni, uno meno intuitivo dell’altro. Per esempio, la separazione spaziale fra una particella e le sue proprietà come nell’esperimento noto “Cheshire cat”, o anche l’effetto Aharonov–Bohm in cui una particella carica è influenzata da campi elettromagnetici in regioni in cui tali campi sono nulli. Altro fenomeno di non-località è l’arcinoto entanglement: un’influenza reciproca fra due particelle — confermata da abbondanti verifiche sperimentali — che si mantiene istantanea indipendentemente dalla distanza spaziale. Altro fenomeno ancora è quello dell’anti-pigeonhole principle (principio dei cassetti) per il quale si può mettere un numero qualsiasi di particelle quantistiche in due cassetti, senza che ce ne siano mai due nella stesso cassetto.
In generale si tratta di fenomeni quantistici che si verificano solo con oggetti quantistici. Tuttavia talvolta capita che si possano trovare applicazioni macroscopiche di questi effetti. Come accade nel caso di altri effetti quantistici che spiegano, per fare un esempio, il fenomeno della superconduttività.
Un primo protocollo di trasmissione quantistica “controfattuale” (CFC) che utilizzava il principio succitato, fu sviluppato sfruttando una schiera di migliaia di operazioni tramite sistemi ottici ideali, per poter raggiungere livelli di prestazioni accettabili. Inoltre questo tipo di esperimenti si basavano su un processo di selezione a posteriori dei dati al fine di poter dimostrare il carattere “controfattuale” della trasmissione. Questi limiti evidenti, accanto all’elevato “rumore” determinato dai segnali spuri, hanno fino ad ora incrinato la fiducia del metodo proposto, ma evidentemente non nel principio. Ripetuti studi hanno infatti dimostrato che utilizzando l’effetto Zenone quantistico, dove le misurazioni ripetute impediscono al sistema di evolvere, è possibile portare il tasso di successo di questo protocollo praticamente all’unità.
I ricercatori di questo nuovo studio, fra cui la coautrice italiana Chiara Greganti, hanno dichiarato di aver superato tali controversie, realizzando un apparato sperimentale che fa uso di un processore programmabile nanofotonico che unitamente ad una sorgente di fotoni singoli e ad un nuovo sensore a nanofili superconduttori, consente di ottenere risultati eccellenti, con un minor numero di apparati, in maniera molto flessibile e con un tasso di errore inferiore all’1% senza far uso del discusso metodo della post-selezione dei dati. Ne consegue il fatto che l’unità ricevente il segnale viene a trovarsi al di fuori dell’interferometro e che, in linea di principio, l’apparato consente la trasmissione controfattuale di informazioni per distanze in gioco arbitrarie.
La ricerca nel campo CFC presenta interessanti applicazioni pratiche, particolarmente nel campo dei computer quantistici, nello sviluppo di chiavi crittografate super sicure e nella comunicazione diretta. Di qui l’interesse commerciale a sviluppare protocolli su cui realizzare apparati sperimentali dalle alte performances. Lo sviluppo dei processori programmabili nanofotonici sembra andare in questa direzione.
