Introduzione
Questo mese, tre scienziati hanno vinto il premio Nobel per la fisica per il loro lavoro che si è rivelato una delle realtà più controintuitive ma consequenziali del mondo quantistico. Hanno mostrato che due particelle quantistiche entangled devono essere considerate un unico sistema - i loro stati inesorabilmente intrecciati tra loro - anche se le particelle sono separate da grandi distanze. In pratica, questo fenomeno di “nonlocalità” significa che il sistema che hai di fronte può essere istantaneamente influenzato da qualcosa che si trova a migliaia di chilometri di distanza.
Entanglement e nonlocalità consentono agli informatici di creare codici non decifrabili. In una tecnica nota come distribuzione della chiave quantistica indipendente dal dispositivo, una coppia di particelle viene intrecciata e quindi distribuita a due persone. Le proprietà condivise delle particelle possono ora fungere da codice, che manterrà le comunicazioni al sicuro anche dai computer quantistici, macchine in grado di violare le tecniche di crittografia classiche.
Ma perché fermarsi a due particelle? In teoria, non esiste un limite superiore al numero di particelle che possono condividere uno stato entangled. Per decenni, i fisici teorici hanno immaginato connessioni quantistiche a tre, quattro vie e persino 100 vie, il genere di cose che consentirebbe un Internet protetto quantistico completamente distribuito. Ora, un laboratorio in Cina ha ottenuto quello che sembra essere un entanglement non locale tra tre particelle contemporaneamente, aumentando potenzialmente la forza della crittografia quantistica e le possibilità per le reti quantistiche in generale.
"La non località bipartitica è già abbastanza folle", ha detto Peter Bierhorst, un teorico dell'informazione quantistica presso l'Università di New Orleans. "Ma si scopre che la meccanica quantistica può fare cose che vanno anche oltre quando hai tre partiti."
I fisici hanno impigliato più di due particelle prima. Il record è da qualche parte nel mezzo 14 particelle ed 15 miliardi, a seconda di chi chiedi. Ma questi erano solo su brevi distanze, al massimo a pochi centimetri l'uno dall'altro. Per rendere utile l'entanglement multipartitico per la crittografia, gli scienziati devono andare oltre il semplice entanglement e dimostrare la non località: "un livello elevato da raggiungere", ha affermato Eli Wolfe, un teorico quantistico presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada.
La chiave per dimostrare la non località è verificare se le proprietà di una particella corrispondono alle proprietà dell'altra - il segno distintivo dell'entanglement - una volta che sono abbastanza distanti da non poter causare gli effetti. Ad esempio, una particella che è ancora fisicamente vicina al suo gemello aggrovigliato potrebbe emettere radiazioni che colpiscono l'altra. Ma se sono a un miglio di distanza e misurati praticamente istantaneamente, allora sono probabilmente collegati solo dall'entanglement. Gli sperimentatori usano un insieme di equazioni chiamato Disuguaglianze a campana per escludere tutte le altre spiegazioni per le proprietà collegate delle particelle.
Con tre particelle, il processo per dimostrare la non località è simile, ma ci sono più possibilità da escludere. Ciò aumenta la complessità sia delle misurazioni che dei cerchi matematici attraverso i quali gli scienziati devono saltare per dimostrare la relazione non locale delle tre particelle. "Devi trovare un modo creativo per affrontarlo", ha detto Bierhorst, e avere la tecnologia per creare le giuste condizioni in laboratorio.
Nei risultati pubblicati ad agosto, una squadra di Hefei, in Cina, ha compiuto un importante balzo in avanti. In primo luogo, sparando laser attraverso un tipo speciale di cristallo, essi entangled tre fotoni e li collocò in diverse aree della struttura di ricerca, a centinaia di metri di distanza l'una dall'altra. Quindi hanno misurato simultaneamente una proprietà casuale di ciascun fotone. I ricercatori hanno analizzato le misurazioni e hanno scoperto che la relazione tra le tre particelle era meglio spiegata dalla non località quantistica a tre vie. È stata la dimostrazione più completa di non località a tre vie fino ad oggi.
Tecnicamente, rimane una piccola possibilità che qualcos'altro abbia causato i risultati. "Abbiamo ancora alcune scappatoie aperte", ha detto Xuemei Gu, uno degli autori principali dello studio. Ma separando le particelle, sono stati in grado di escludere la spiegazione alternativa più lampante per i loro dati: la vicinanza fisica.
Gli autori hanno anche basato il loro esperimento su un nuovo, definizione più rigorosa di nonlocalità a tre vie che ha preso piede negli ultimi anni. Mentre gli esperimenti passati consentivano la cooperazione tra i dispositivi che misuravano i fotoni, i tre dispositivi di Gu non potevano comunicare. Invece, hanno effettuato misurazioni casuali delle particelle, una restrizione che sarebbe utile in scenari crittografici in cui qualsiasi comunicazione può essere compromessa, ha affermato Renato Renner, fisico quantistico presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo. (Usando il vecchio paradigma, una squadra canadese dimostrato non località a tre vie a distanza nel 2014.)
Ora che i ricercatori che seguono la nuova definizione sono riusciti a intrappolare particelle così distanti tra loro, possono concentrarsi sull'espansione ulteriormente della distanza.
"È un importante trampolino di lancio verso l'esecuzione di esperimenti a lunga distanza e su larga scala", ha affermato Saikat Guha, un teorico dell'informazione quantistica presso l'Università dell'Arizona.
Più direttamente, questa tecnologia può alimentare una distribuzione di chiavi quantistiche più ampia, ha affermato Renner. Se usi particelle entangled come chiave per la crittografia, le stesse disuguaglianze di Bell che i fisici usano per testare la non località possono garantire che il tuo segreto sia completamente sicuro. Quindi, anche se il dispositivo che usi per inviare o ricevere un messaggio viene maliziosamente manipolato dal tuo peggior nemico, non sarà in grado di determinare la tua chiave quantistica. Quei segreti restano tra te e chiunque abbia l'altra particella aggrovigliata.
Introduzione
La distribuzione delle chiavi quantistiche è "la cosa di cui le persone sono entusiaste", ha detto Renner. L'anno scorso, tre gruppi separati ha dimostrato il protocollo in laboratorio, sebbene ancora su piccola scala. Ecco perché la non località a tre vie sarà così importante. "In linea di principio hai molto più potere crittografico", perché queste connessioni a tre vie non possono essere simulate mettendo insieme alcuni collegamenti a due vie.
"È un livello fondamentalmente nuovo di fenomeni", ha affermato Bierhorst, uno che potrebbe espandere la crittografia indipendente dal dispositivo dalla comunicazione di base a due vie a un'intera rete di condivisioni di segreti.
Oltre alla crittografia, l'entanglement multipartitico apre anche possibilità per altri tipi di reti quantistiche. Ricercatori come Guha stanno lavorando su a internet quantico, che potrebbe collegare i computer quantistici nel modo in cui Internet normale connette i dispositivi ordinari. Questo sistema riunirebbe la potenza di calcolo di molti dispositivi quantistici collegando milioni di particelle con diversi livelli di entanglement su distanze variabili. Abbiamo tutti i singoli elementi costitutivi di un tale sistema, ha detto Guha, ma assemblarlo "è un'enorme, enorme sfida ingegneristica". Con questo obiettivo in mente, gli scienziati nei Paesi Bassi hanno ha avuto successo nell'aggrovigliare tre particelle in una rete che copre due laboratori separati, anche se a differenza del team di Gu, non erano concentrati sulla dimostrazione della non località.
Questo lavoro sull'entanglement a tre vie è iniziato come "solo un fenomeno interessante", ha affermato Bierhorst. Ma "quando hai qualcosa che la meccanica quantistica può fare ed è impossibile fare altrimenti, si apriranno tutti i tipi di nuove possibilità tecnologiche che possono essere sfruttate in modi imprevisti".
Per ora, alcuni laboratori hanno dimostrato la non località a quattro vie tra particelle molto vicine tra loro. “Questi esperimenti sono piuttosto speculativi a questo punto. Devi fare molte ipotesi", ha detto Bierhorst.
Gli esperimenti a tre vie si basano ancora anche su alcune ipotesi. I premi Nobel hanno passato mezzo secolo a escludere quelle scappatoie nei loro esperimenti a doppio senso, riuscendo finalmente nel 2017. Ma da allora abbiamo fatto molta strada tecnologicamente, ha affermato Renner.
"Ciò che [ci sono voluti] decenni prima ora accadrà tra circa un anno", ha detto.
