Scienziati austriaci e cinesi sono riusciti per la prima volta a teletrasportare stati quantistici tridimensionali. Il teletrasporto ad alta dimensione potrebbe svolgere un ruolo importante nei futuri computer quantistici.

I ricercatori dell'Accademia austriaca delle scienze e dell'Università di Vienna hanno dimostrato sperimentalmente quella che in precedenza era solo una possibilità teorica. Insieme ai fisici quantistici dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina, sono riusciti a teletrasportare stati quantistici complessi ad alta dimensione. I team di ricerca riportano questa prima volta a livello internazionale sulla rivista  Physical Review Letters .

Nel loro studio, i ricercatori hanno teletrasportato lo stato quantistico di un fotone (particella di luce) in un altro distante. In precedenza erano stati trasmessi solo stati a due livelli (“qubit”), ovvero informazioni con valori “0” o “1”. Tuttavia, gli scienziati sono riusciti a teletrasportare uno stato a tre livelli, un cosiddetto "qutrit". Nella fisica quantistica, a differenza dell'informatica classica, "0" e "1" non sono un "o/o" - entrambi contemporaneamente, o qualsiasi altra via di mezzo, è anche possibile. Il team austro-cinese lo ha ora dimostrato in pratica con una terza possibilità “2”.

Nuovo metodo sperimentale

È noto dagli anni '90 che il teletrasporto quantistico multidimensionale è teoricamente possibile. Tuttavia: "In primo luogo, dovevamo progettare un metodo sperimentale per implementare il teletrasporto ad alta dimensione, nonché sviluppare la tecnologia necessaria", afferma Manuel Erhard dell'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica di Vienna dell'Accademia austriaca delle scienze.

Lo stato quantistico da teletrasportare è codificato nei possibili percorsi che un fotone può intraprendere. Si possono immaginare questi percorsi come tre fibre ottiche. La cosa più interessante è che nella fisica quantistica un singolo fotone può anche essere localizzato in tutte e tre le fibre ottiche contemporaneamente. Per teletrasportare questo stato quantico tridimensionale, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo metodo sperimentale. Il fulcro del teletrasporto quantistico è la cosiddetta misurazione Bell. Si basa su un divisore di fascio multiporta, che dirige i fotoni attraverso diversi ingressi e uscite e collega tutte le fibre ottiche insieme. Inoltre, gli scienziati hanno utilizzato fotoni ausiliari: anche questi vengono inviati al divisore di fasci multipli e possono interferire con gli altri fotoni.

Attraverso un'intelligente selezione di determinati schemi di interferenza, le informazioni quantistiche possono essere trasferite a un altro fotone lontano dal fotone di ingresso, senza che i due interagiscano mai fisicamente. Il concetto sperimentale non è limitato a tre dimensioni, ma può in linea di principio essere esteso a un numero qualsiasi di dimensioni, come sottolinea Erhard.

Maggiori capacità di informazione per i computer quantistici

Con questo, il team di ricerca internazionale ha anche compiuto un passo importante verso applicazioni pratiche come una futura Internet quantistica, poiché i sistemi quantistici ad alta dimensione possono trasportare quantità maggiori di informazioni rispetto ai qubit. "Questo risultato potrebbe aiutare a collegare i computer quantistici con capacità di informazione oltre i qubit", afferma Anton Zeilinger, fisico quantistico presso l'Accademia austriaca delle scienze e l'Università di Vienna, sul potenziale innovativo del nuovo metodo.

I ricercatori cinesi partecipanti vedono anche grandi opportunità nel teletrasporto quantistico multidimensionale. "Le basi per i sistemi di rete quantistica di prossima generazione si basano sulla nostra ricerca fondamentale di oggi", afferma Jian-Wei Pan dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina. Pan ha recentemente tenuto una conferenza a Vienna su invito dell'Università di Vienna e dell'Accademia.

In un lavoro futuro, i fisici quantistici si concentreranno su come estendere le nuove conoscenze acquisite per consentire il teletrasporto dell'intero stato quantistico di un singolo fotone o atomo.