Meccanica quantistica, se la lettera viaggia senza il piccione viaggiatore

Nella realtà (del passato magari) e nell’immaginario comune, un piccione viaggiatore porta nel becco una lettera, che viaggia nella sua stessa direzione e verso. In meccanica quantistica, invece, il mezzo e il contenuto di comunicazione possono viaggiare in direzioni diverse. In altre parole, mentre negli esperimenti classici c’è sempre una particella o un’onda che trasporta il contenuto di una qualsiasi comunicazione lungo la direzione della comunicazione, nella meccanica quantistica le cose possono andare diversamente. E si può avere una trasmissione di informazioni in direzione opposta alla trasmissione del mezzo. A mostrarlo sperimentalmente 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.

Dalla realtà alla meccanica quantistica

Dal piccione al telegrafo, dalla radio al cellulare, fino allo smartphone, nelle comunicazioni tradizionali c’è sempre (almeno) una particella o un’onda coinvolta nello scambio di informazioni fra le due parti. Se pensiamo ad un punto A (che chiameremo Alice, come nella figura) e un punto B (Bob) il segnale (la particella o l’onda) viaggerà da Alice a Bob.

Ma nella meccanica quantistica a volte può essere tutto ribaltato: si può anche inviare l’informazione da Alice a Bob mentre la particella o l’onda coinvolta si muove da Bob a Alice (o viceversa). In questo modo l’invio dell’informazione non è associato a una particella. Si tratta di un evento controintuitivo che è possibile soltanto nel mondo della meccanica quantistica e non nella fisica classica (quella che descrive i fenomeni macroscopici e la realtà come la conosciamo). Oggi a dimostrarlo è il gruppo internazionale di ricercatori, guidati da Philip Walther e Crispin Barnes fra cui ci sono anche le ricercatrici italiane Chiara Greganti e Valeria Saggio. Il team ha indagato le proprietà fisiche della comunicazione nell’ambito quantistico, dove tutto (o quasi) diventa possibile.

Esperimenti standard e meno standard

In una comunicazione standard tramite uso di onde elettromagnetiche, basata sull’invio di fotoni – le particelle, i quanti di luce che rappresentano il segnale – l’informazione e i singoli fotoni viaggiano nella stessa direzione, un po’ come dire che il piccione e la lettera vanno insieme seguono lo stesso verso. Nel modello quantistico sviluppato oggi invece (la cosiddetta comunicazione controfattuale), i singoli fotoni andavano da Alice a Bob mentre le informazioni (il messaggio – la lettera) da Bob a Alice.

“La comunicazione quantistica controfattuale“, spiega a Galileo Chiara Greganti, coautrice dello studio, “si basa sulla possibilità di trasferire un’informazione o un messaggio (formata da una sequenza di bit) attraverso l’uso di particelle quantistiche, ma senza che nessuna particella sia trasmessa dal mittente al destinatario”. In pratica, prosegue Greganti, Alice invia singoli fotoni a Bob, e a sua volta Alice riceve il messaggio di Bob (in questo caso “Do you wanna marry me?”) senza che Bob invii delle particelle.

L’esperimento

Per realizzare l’esperimento gli autori hanno utilizzato un particolare processore, detto nanofotonico, in cui singoli fotoni vengono sparati da un punto A a un punto B. Bob possiede una parte di questo processore e la prepara a seconda del messaggio che sceglie di comunicare (un segnale equivalente a 0 o 1). A sua volta Alice invia i singoli fotoni a Bob attraverso la restante parte del processore, in questo caso immutabile o statica. In base alle misure sui fotoni presenti o meno ad un rivelatore, Alice riesce ad interpretare il messaggio di Bob, spiega Greganti, senza che Bob invii alcun fotone. Fantascienza? Come è possibile?

Meccanica quantistica, la freccia di Zenone

Alla base c’è un complesso fenomeno fisico, chiamato effetto Zenone quantistico. L’effetto, noto comunemente come “paradosso della freccia”, può essere rappresentato a una 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, non si muove (o così ci sembra).

Questo paradosso, descritto per la prima volta da Alan Turing, trova ampia applicazione nella meccanica quantistica, dove viene studiato per applicazioni come comunicazioni più rapide e per i computer quantistici. Nel mondo delle particelle l’effetto fa sì che ogni volta che si osserva (si misura) un sistema, come il decadimento di una particella instabile, questa non decadrà mai, un po’ come la freccia sospesa in aria. In questo caso, la ripetuta osservazione del fotone, resa possibile dalla complessa strumentazione utilizzata, basata su interferometri e rivelatori, congela il sistema (come quando si osserva la freccia in volo). E permette a Bob di modificare il comportamento – gli spostamenti – del fotone, senza interagire con la particella. La spiegazione si fonda su complicati concetti fisici, come il dualismo onda-particella e l’effetto Zenone. Il risultato è che si può trasmettere una sequenza di informazioni (bit 0 o 1) senza la necessità di interazione con il fotone.

Meccanica quantistica, verso nuove comunicazioni

Si tratta di uno dei primi esperimenti, spiegano gli autori, in cui si dimostra sperimentalmente questo effetto e la possibilità di una comunicazione controfattuale di questo tipo.

“Nella nostra implementazione – chiarisce Irati Alonso Calafell, prima firma del paper – non c’è non c’è traccia di un fotone che viaggi nella stessa direzione dell’informazione”. Insomma, nello studio gli scienziati sono riusciti a mettere in discussione una premessa essenziale delle teorie della comunicazione: che un messaggio è sempre veicolato da una particella o da un’onda.

Riferimenti: NPJ Quantum Information

Crediti immagine: © University of Vienna, realizzata da Jon Ladrón de Guevara

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