Gli scienziati teletrasportano le informazioni tra gli elettroni

Il teletrasporto umano esiste solo nella fantascienza. Ma il fenomeno è possibile nel mondo subatomico della meccanica quantistica, anche se non nel modo tipicamente rappresentato in TV. Nel mondo quantistico, il teletrasporto implica il trasporto di informazioni, non di materia.

Nel 2019, gli scienziati hanno confermato che le informazioni potevano essere trasmesse tra i fotoni sui chip dei computer, anche quando i fotoni non erano fisicamente collegati. Ora, secondo una nuova ricerca dell’Università di Rochester e della Purdue University (USA), il teletrasporto potrebbe essere possibile anche tra gli elettroni.

In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications e in un altro pubblicato su Physical Review X, i ricercatori, guidati da Haifeng Qiao e Yadav Kandel dell’Università di Rochester, esplorano nuovi modi per creare interazioni quantomeccaniche tra elettroni distanti. La ricerca è un passo importante per migliorare il calcolo quantistico, che a sua volta ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia, la medicina e la scienza fornendo processori e sensori più veloci ed efficienti.

Azione spettrale a distanza

Il teletrasporto quantistico è una dimostrazione di ciò che Albert Einstein chiamava “azione spettrale a distanza”, nota anche come entanglement quantistico. Nell’entanglement (uno dei concetti base della fisica quantistica), le proprietà di una particella influenzano le proprietà di un’altra, anche quando le particelle sono separate da una grande distanza. Il teletrasporto quantistico coinvolge due particelle entangled distanti, in cui lo stato di una terza particella “teletrasporta” istantaneamente il suo stato alle due particelle entangled.

Il teletrasporto quantistico è un mezzo importante per trasmettere informazioni nell’informatica quantistica. Mentre un computer tipico è costituito da miliardi di transistor, chiamati bit, i computer quantistici codificano le informazioni in bit quantistici o qubit. Un bit ha un unico valore binario, che può essere “0” o “1”, ma i qubit possono essere “0” e “1” contemporaneamente. La capacità dei singoli qubit di occupare contemporaneamente più stati è alla base della grande potenza potenziale dei computer quantistici.

Gli scienziati hanno recentemente dimostrato il teletrasporto quantistico utilizzando fotoni elettromagnetici per creare coppie di qubit entangled in remoto. I qubit formati da singoli elettroni, tuttavia, sono anche promettenti per la trasmissione di informazioni nei semiconduttori. “I singoli elettroni sono qubit promettenti perché interagiscono molto facilmente tra loro e anche i singoli qubit di elettroni nei semiconduttori sono scalabili“, afferma John Nichol, assistente professore di fisica all’Università di Rochester e coautore dello studio. “La creazione affidabile di interazioni a lunga distanza tra gli elettroni è essenziale per il calcolo quantistico“.

La creazione di coppie entangled di qubit di elettroni che coprono lunghe distanze, necessaria per il teletrasporto, si è rivelata una sfida: sebbene i fotoni si propaghino naturalmente su lunghe distanze, gli elettroni sono spesso confinati in un’unica posizione.

Coppie di elettroni aggrovigliati

Per dimostrare il teletrasporto quantistico utilizzando gli elettroni, i ricercatori si sono avvalsi di una nuova tecnica di nuova concezione basata sui principi dell’accoppiamento di scambio di Heisenberg. Un singolo elettrone è come una barra magnetica con un polo nord e un polo sud che può puntare in alto o in basso. La direzione del polo, ad esempio se il polo nord è rivolto verso l’alto o verso il basso, è nota come momento magnetico dell’elettrone o stato di spin quantico. Se certi tipi di particelle hanno lo stesso momento magnetico, non possono trovarsi nello stesso posto nello stesso momento. Cioè, due elettroni nello stesso stato quantistico non possono essere uno sopra l’altro. Se lo facessero, i loro stati si alterneranno nel tempo.

I risultati aprono la strada alla ricerca sul teletrasporto quantistico che coinvolge gli stati di spin di tutta la materia, non solo dei fotoni, e forniscono ulteriori prove delle capacità sorprendentemente utili dei singoli elettroni nei semiconduttori qubit.