Satelliti Cinesi hanno “interazioni spettrali” a distanze record

L’entanglement quantistico — la cosa più strana che la fisica ha da offrire- ha lasciato il nostro mondo per spostarsi nello Spazio. In una ricerca che dimostra quanto la Cina padroneggi sia la fisica quantistica che le scienze aerospaziali, un team di scienziati è riuscito a mandare alcune particelle oscuramente intrecciate da un satellite a basi terrestri distanti tra loro 1200 Km, distruggendo il precedente record. Il risultato è una pietra miliare per le reti di comunicazione ultrasicure e per un internet quantico satellitare.

“È un risultato impressionante: sono partiti con un’idea folle, e sono addirittura riusciti a metterla in pratica!” Thomas Jennewein, scienziato all’Università di Waterloo, Canada.

L’entanglement consiste nel metter alcuni oggetti in un limbo di sovrapposizione quantistica , in cui le proprietà quantistiche possono occupare diversi stati contemporaneamente: un po’ come il gatto di Schrödinger, che è vivo o morto allo stesso tempo. Gli stati quantistici vengono poi condivisi da numerosi oggetti: gli scienziati ad esempio hanno intrecciato particelle come elettroni e fotoni, ma anche oggetti più grandi, come circuiti elettrici superconduttivi.

Teoricamente, sebbene gli oggetti intrecciati siano separati, il loro precario stato quantico rimane condiviso, fino a che uno degli oggetti viene misurato o perturbato. Una misurazione può anche darci un’idea dello stato del secondo oggetto, non importa quanto sia lontano. L’idea è talmente controintuitiva che Einstein amava chiamarla “interazione spettrale a distanza”.

Dagli anni ’70 diversi scienziati hanno provato a testarne gli effetti su oggetti sempre più distanti tra di loro. Nel 2015, il più sofisticato di questi test, in cui interagivano elettroni distanti 1.3 Km, ha dimostrato che l’interazione spettrale è possibile.

Oltre a questi risultati puramente di ricerca, gli esperimenti puntano a fornire una base scientifica per costruire reti di comunicazione inattaccabili. Lunghe stringhe di fotoni intrecciati, inviate su grandi distanze, potrebbero fungere “chiavi quantiche” per codificare la comunicazione. Chiunque tenti di origliare un messaggio codificato in questa maniera, distruggerebbe la chiave stessa, mandando un segnale d’allarme.

Purtroppo i fotoni si degradano rapidamente, non appena passano per l’aria oppure per le fibre ottiche. Per il momento, la stringa che ha viaggiato più lontano ha percorso qualche centinaio di kilometri. Dei “ripetitori quantici” potrebbero estendere la portata della rete, ma sono ancora in stato di ricerca. Molti scienziati hanno invece immaginato di utilizzare dei satelliti per scambiarsi informazioni quantiche nel vuoto dello Spazio.

“Una volta creata una rete di satelliti che distribuisce dei segnali quantici per tutto il pianeta, il gioco è fatto: si saltano a piè pari tutti i problemi legati alla perdita di energia nelle fibre”, Verónica Fernández Mármol, scienziata al Consiglio di Ricerca Nazionale Spagnolo a Madrid.

Jian-Wei Pan, scienziato all’Università di Scienza e Tecnologia di Shanghai in Cina, ha avuto l’occasione di testare quest’idea nell’Agosto del 2016, al lancio del satellite Micius, battezzato in onore del filosofo cinese. Il satellite è il primo passo del programma di esperimenti quantistici spaziali, costato oltre 100 milioni di dollari, e che farà della Cina una potenza scientifica spaziale al pari degli Stati Uniti e dell’Europa.

Nel loro primo esperimento, il team ha inviato un raggio laser ad un cristallo capace di dividere la luce, posto sul satellite. Il cristallo ha emesso coppie di fotoni intrecciate al punto che i loro stati di polarizzazione fossero opposti al momento della misurazione. Le coppie sono state separate e i fotoni inviati rispettivamente alle stazioni di Delingha e Lijang, distanti 1200 Km l’una dall’altra. Entrambe le basi sono tra le montagne del Tibet, pertanto lo strato d’aria che i fotoni avrebbero dovuto attraversare è molto sottile. Il team ha rivelato di aver misurato più di 1000 coppie di fotoni contemporaneamente, come riportato sulla rivista Science di questa settimana. Hanno riscontrato molte più polarizzazioni opposte di quanto si fossero aspettati, nel caso il processo fosse stato casuale. In questo modo, hanno dimostrato l’esistenza dell’interazione spaziale su una distanza da record (il test condotto nel 2015 su una distanza più corta, però, era molto più severo).

Il team ha dovuto superare numerosi ostacoli, tra cui mantenere concentrati i raggi di fotoni sulle basi terrestri: il satellite, infatti, stava vagando nello spazio ad una velocità di 8 km al secondo. “Questo esperimento è stato tanto sfidante quanto incoraggiante”, afferma Alexander Ling, scienziato dell’Università di Singapore. Ling, però, fa notare che il team di Pan recuperava un fotone ogni 6 milioni inviati dal satellite — una proporzione migliore rispetto agli esperimenti terrestri, ma comunque insufficiente per un’implementazione pratica.

Pan pensa che il Centro Spaziale Cinese lanci in orbita ulteriori satelliti ancora più performanti e che possano operare anche in pieno giorno (Micius è operativo solo nottetempo).

“Nei prossimi 5 anni invieremo altri satelliti che ci aiuteranno con ulteriori prove pratiche”, Jian-Wei Pan.

Nel frattempo, pensa anche di utilizzare Micius per distribuire chiavi quantiche ad alcune basi cinesi, un progetto che richiede stringhe di fotoni più lunghe e alcune ulteriori passi in avanti. Poi, vorrebbe dimostrare la possibilità di scambiarsi stringhe quantiche su scala intercontinentale grazie alla cooperazione di una base in Austria: un membro della coppia di fotoni rimarrà sulla base austriaca e interagirà una volta che il satellite la sorvolerà. Pan sta anche pensando di teletrasportare uno stato quantico ad un’altra base in Tibet, ovvero vorrebbe trasferire informazioni codificate su base quantica, senza dover spostare fisicamente un oggetto.

Anche altri Paesi stanno iniziando con alcuni esperimenti quantistici nello Spazio. Ling sta collaborando con degli scienziati australiani per trovare un modo di far scambiare informazioni tra due satelliti e l’Agenzia Spaziale Canadese ha recentemente annunciato di voler finanziare un piccolo satellite quantico. Alcuni team tra Europa e Stati Uniti vorrebbero dotare di strumenti del genere anche la Stazione Spaziale Internazionale. Uno degli obiettivi è quello di testare se l’entanglement risente di un campo gravitazionale in continua variazione, comparando un fotone che si trova a gravità zero ad uno posizionato in una base sulla Terra. “Al momento, non sono ancora stati condotti esperimenti che dimostrano una connessione tra forza di gravità e leggi quantistiche”, afferma Anton Zeilinger, scienziato dell’Accademia Scientifica Austriaca di Vienna.

Le implicazioni che portano questi esperimenti vanno oltre al semplice miglioramento dei record: una rete di satelliti potrà connettere tutti i computer quantici che al momento vengono progettati in vari laboratori in tutto il Mondo. La ricerca di Pan “dimostra che la Cina sta percorrendo la strada giusta”, dice ancora Zeilinger che sta facendo pressioni all’ESA per la creazione di un satellite quantico. “Sono personalmente convinto che l’Internet del futuro si baserà su principi quantistici!”.

Tradotto in Italiano. Articolo originale: Science

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