di Tiziano Cantalupi

Nel numero di "Newton" di Aprile di quest’anno, compariva un articolo dedicato al Teletrasporto. Il sottotitolo dell’articolo riportava la seguente frase: "Gli scienziati ci sono riusciti con [due] particelle. Ora stanno lavorando per verificare se e quando sarà possibile tentare [il Teletrasporto] con elementi più complessi." Ebbene, a neanche cinque mesi di distanza dalla pubblicazione del sopracitato articolo, il mondo scientifico è scosso dalla notizia data dalla prestigiosa rivista "Nature" che un gruppo di studiosi dell’Università danese di Aarhus, diretti dal Prof. Eugene Polzik, è riuscito ad ottenere uno stato entangled ("intrecciato") di un trilione di atomi; primo passo, questo, per ottenere il Teletrasporto di enti macroscopici.

Gli stati entangled sono un particolare fenomeno quantistico (la Fisica Quantistica è una disciplina scientifica che studia le dinamiche della struttura fine della materia: atomi, particelle, ecc.) che si riscontra quando due o più particelle manifestano proprietà fisiche sovrapposte, intrecciate. Un esempio di stati entangled sono le coppie di particelle correlate.

In situazioni sperimentali come il passaggio da un livello energetico all’altro di un atomo, possono prodursi coppie di fotoni correlati. Una delle caratteristiche dei fotoni correlati è possedere, allo "stato naturale" (ovvero in una situazione in cui nessun azione viene esercitata su di essi) proprietà fisiche simmetriche: ad esempio, stessa polarizzazione, o, cosa decisamente speciale, opposte: rotazione attorno al proprio centro (lo spin) sia destra che sinistra.

Prima di qualsiasi esperimento volto a misurare lo spin di ciascun membro della coppia di fotoni correlati, quindi, i costituenti fondamentali della luce, presentano allo stesso tempo spin "contrari". E’ come dire che una persona possiede contemporaneamente caratteristiche somatiche tipiche della razza bianca e della razza nera. Questo stato schizofrenico della materia si risolve solo nel momento in cui si esegue una misurazione volta a stabilire il "verso" dello spin di uno dei costituenti della coppia correlata. A questo punto se viene trovato che uno dei fotoni ha spin destro, l’altro fotone avrà -anzi assumerà istantaneamente e a distanza- lo spin sinistro e viceversa. Praticamente l’atto di osservare (l’atto di misurare) lo spin di un componente della coppia, conferisce realtà oggettiva a distanza allo spin totale della coppia correlata.

Una delle peculiarità dei sistemi correlati (entangled), è manifestare la caratteristica della non località. Possedere caratteristiche non locali è un requisito fondamentale perché un qualsiasi "microoggetto" possa essere teletrasportato da un luogo all’altro.

La non località quantistica prevede che in determinate condizioni la materia possa comunicare istantaneamente a distanza. Nella vita di tutti i giorni le influenze tra sistemi distanti non avvengono mai direttamente o in tempo reale. Due oggetti qualsiasi separati da grande distanza esistono sempre indipendente l’uno dall’altro e l’azione compiuta su uno di essi non ha effetti ("sensibili") sull’altro: una stella che esplode su Andromeda, ad esempio, non ha effetti apprezzabili sul nostro Sole.

Nel mondo della fisica quantistica affermazioni come quelle appena fatte, ovvie per il senso comune, non valgono. La struttura fine della materia descritta dalla meccanica dei quanti, segue leggi tutte sue, quasi incredibili per una logica umana. Nell’ambito del paradigma quantistico le azioni dirette tra oggetti siti in luoghi distanti (ed i luoghi distanti possono anche essere due lontanissime galassie) sono all’ordine del giorno.

Un sistema non locale quantistico tradizionale prevede che le coppie correlate in stato entangled che lo compongono, mantengano caratteristiche comuni indipendentemente dalla loro distanza, e l’azione compiuta su uno di essi deve avere sempre effetti immediati anche sul secondo componente la coppia. Si immagini, per meglio comprendere la natura e le dinamiche alla base dei sistemi non locali, una situazione in cui l’eccitazione di un atomo di Calcio produca una coppia di fotoni correlati che si muovono lungo percorsi opposti (vedere la figura 1). Lungo uno di questi percorsi (il Percorso A), di tanto in tanto e in maniera del tutto casuale, viene inserito un "filtro" (un Cristallo Birifrangente) il quale, una volta che un fotone interagisce con esso, può, con una probabilità del 50 %, deviarlo oppure lasciarlo proseguire indisturbato per la sua strada. Agli estremi del tragitto di ciascun fotone è posto un rivelatore di fotoni.

Fig. 1

Ora, la cosa straordinaria prevista dalla teoria quantistica, è che nel momento in cui lungo il Percorso A viene inserito il Cristallo Birifrangente e si produce una deviazione verso il rivelatore c del fotone 1, anche il fotone 2 (ovvero il fotone del Percorso B; il fotone separato e senza "ostacoli" davanti), "spontaneamente" ed istantaneamente, devia verso il rivelatore d. Praticamente l’atto di inserire il Cristallo Birifrangente con la conseguente deviazione del fotone 1, produce un effetto istantaneo a distanza sul fotone 2, inducendolo a deviare. Tutto ciò può sembrare strano, ma è quello che effettivamente avviene quando si eseguono esperimenti su coppie di particelle o insiemi correlati in stato entangled.

La spiegazione in chiave quantistica della "azione a distanza" in tempo reale appena descritta, è che gli enti entangled debbono essere considerati "oggetti" inseparabili, unici. Essendo enti non separabili, risulta "ovvio" come l’azione compiuta su uno di essi possa (anzi, debba) avere effetti istantanei anche sul compagno, e questo indipendentemente dalla distanza.

Lo scrivente, così come i padri fondatori della teoria quantistica i fisici Niels Bohr, Werner Heisenberg, ecc., comprende benissimo quanto affermazioni del tipo: due oggetti nonostante risultino materialmente separati rimangono un unico ente, appaia un’affermazione molto forte, soprattutto se vista nell’ottica dell’uomo della strada, ma la situazione che emerge dagli esperimenti su coppie o insiemi correlati in stato entangled è questa.

Come anticipato all’inizio del presente articolo, recentemente un gruppo di scienziati dell’Università danese di Aarhus, ha reso noto di essere riuscito ad ottenere stati "intrecciati" con un insieme di circa un trilione di atomi.

Questo fatto risulta tanto più sorprendente ed importante se si pensa che è la prima volta che si riescono a realizzare stati entangled con insiemi macroscopici (cosa impensabile solo fino a pochi mesi or sono) e che tali stati racchiudono in sé la possibilità di sviluppi ed applicazioni notevoli nei più disparati campi: da quello informatico a quello delle comunicazioni e del Teletrasporto.

Vediamo ora con quali modalità e quali strumenti sono stati realizzati gli esperimenti danesi, nei quali, come detto, sono stati ottenuti insiemi macroscopici "intrecciati". Negli esperimenti condotti dal gruppo guidato dal Prof. Polzik, all’interno di due capsule di vetro sono state iniettate due nubi di gas di Cesio composte rispettivamente da circa mezzo trilione di atomi (vedere la figura 2).

Fig. 2

Tali capsule sono state, come del resto mostra la figura, fissate separatamente a diversi centimetri di distanza l'una dall'altra (è bene ricordare che per sistemi composti da insiemi atomici, pochi centimetri rappresentano migliaia di chilometri per la dimensione umana) e collocate all'interno di in un cilindro metallico cavo rivestito internamente di cera di Paraffina schermante (vedere la figura 3).

Fig. 3

All’interno delle capsule gli atomi delle nubi di gas di Cesio sono stati mantenuti isolati dalle pareti di vetro, attraverso speciali campi magnetici. Successivamente gli scienziati hanno inviato una potente scarica laser contro le capsule, che ha "orientato" in una determinata direzione lo spin totale degli atomi delle due nubi gassose. A questo punto una seconda pulsazione laser, di particolare lunghezza d’onda e determinata polarizzazione di campo elettromagnetico, è stata inviata contro le nubi, inducendo uno stato sovrapposto di spin: innescando praticamente uno stato correlato-entangled di spin nelle nubi. Ecco quindi ottenuto uno stato intrecciato di un insieme di un trilione di particelle !

Così come illustrato nell’articolo apparso sul numero di Aprile 2001 di "Newton", alla base del Teletrasporto vi è il fenomeno quantistico del non localismo manifestato dai sistemi di particelle in stato entangled. Solo le caratteristiche espresse da sistemi che possono sfruttare il meccanismo non localistico infatti, consentono agli stessi di essere "spostati" da una parte all’altra dello spazio.

Alla fine degli anni novanta dello scorso secolo si era riusciti ad ottenere il Teletrasporto dello stato di polarizzazione di due fotoni correlati, oggi, applicando le medesime metodologie, potrebbe essere possibile teletrasportare lo spin di due grosse nubi di gas in stato entangled come quelle prodotte dai ricercatori dell’Università di Aarhus.

La struttura dell’apparecchiatura usata per trasferire lo stato di polarizzazione di un fotone da un luogo all’altro (per chi fosse interessato a vedere tale struttura può andare alla pagina 97 del già citato articolo di "Newton"), potrebbe essere adattata per il Teletrasporto dello spin totale di due nubi di gas così come rappresentato nella figura 4.

Fig. 4

di Spin

La figura mostra un'apparecchiatura che potrebbe essere in grado di teletrasportare lo spin totale di una nube (la nube X) di un dato gas dalla Cabina Alfa alla Cabina Beta. Il primo passo per ottenere ciò, è produrre tre nubi in stato entangled di spin A, X e B rispettivamente all'interno della Cabina Alfa e Beta: ciò potrebbe ottenersi inviando una scarica laser sincronizzata contro le tre capsule di vetro contenenti le nubi di gas. Si ricorderà che le nubi in stato intrecciato così prodotte (e non oggetto di "osservazione") hanno sempre la prerogativa di manifestare uno spin indefinito.

A questo punto la nube X, la nube il cui stato di spin dovrà essere teletrasportato, sarà oggetto di un processo di misurazione dello spin, assumendo quindi un ben definito (e quindi successivamente utilizzabile per eventuali confronti) verso di rotazione intorno al proprio centro. Ciò fatto le nubi A e X vengono fatte interagire, portando a compimento quello che in gergo tecnico viene chiamata una misura coniugata. Le regole (quantistiche) dei sistemi entangled ci dicono che, eseguendo una misura coniugata delle nubi A e X, si ottiene un mutamento istantaneo a distanza della nube B, la quale assumerà, il medesimo spin della nube X. In questo modo grazie all'azione a distanza alla base del non localismo, nella Cabina Beta si avrà una copia identica (per spin, ovviamente) della nube di gas X.

La realizzazione di esperimenti come quello appena illustrato, i quali potranno essere resi possibili dalla produzione di insiemi macroscopici in stato entangled, potrebbe aprire la strada al Teletrasporto di entità complesse (e non solo di stati di polarizzazione o di spin) come insiemi di particelle o addirittura agglomerati di molecole organiche.