I fisici quantistici hanno festeggiato in ottobre quando il comitato del Nobel ha assegnato a tanto atteso premio per la fisica ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger per il loro lavoro pionieristico Ricerca sull'entanglement quantistico. Ma la community non si è certo adagiata sugli allori, e con così tanti altri entusiasmanti sviluppi nel 2022, è difficile scegliere solo alcuni punti salienti. Tuttavia, ecco alcuni risultati che si sono distinti per noi nei campi del rilevamento quantistico, dell'informazione quantistica, dell'informatica quantistica, della crittografia quantistica e della scienza quantistica fondamentale.
Nella meccanica quantistica, il principio di delocalizzazione afferma che una particella quantistica può, in un certo senso agitato dalla mano, trovarsi in più posti contemporaneamente. Il principio dell'entanglement, nel frattempo, afferma che le particelle quantistiche sperimentano una connessione che consente alla condizione di una particella di determinare quella di un'altra, anche a grandi distanze. A novembre, i fisici del JILA in Colorado, negli Stati Uniti, hanno usato una combinazione di entanglement e delocalizzazione per sopprimere il rumore che in precedenza aveva reso impossibile percepire accelerazioni al di sotto del cosiddetto limite quantico. Questo limite è fissato dal rumore quantistico delle singole particelle ed è stato a lungo un vincolo significativo sulla precisione dei sensori quantistici. Superarlo è quindi un grande passo avanti.
L'invio di informazioni quantistiche da un nodo in una rete a un altro non è facile. Se codifichi le informazioni in fotoni inviati lungo una fibra ottica, le perdite nella fibra erodono la fedeltà del segnale finché non diventa illeggibile. Se invece usi l'entanglement quantistico per teletrasportare direttamente le informazioni, introduci altri processi che, ahimè, degradano anche il segnale. Aggiunta di un terzo nodo alla rete, come fisici di QuTech nei Paesi Bassi fatto nel 2021, rende solo il compito più difficile. Ecco perché è così impressionante che i ricercatori di QuTech abbiano seguito il loro precedente successo teletrasportando informazioni quantistiche da un mittente (Alice) a un destinatario (Charlie) tramite un nodo intermedio (Bob). Anche se la fedeltà della trasmissione Alice-Bob-Charlie era solo del 71%, questo è superiore al limite classico di 2/3, e il suo raggiungimento ha richiesto ai ricercatori di combinare e ottimizzare diversi esperimenti impegnativi. I nodi Dave, Edna e Fred si uniranno alla rete nel 2023? Vedremo!
Nel caso in cui non fosse chiaro dai primi due punti salienti di questo elenco, il rumore è un grosso problema nella scienza quantistica. Questo è vero sia per l'informatica che per il rilevamento e la comunicazione, motivo per cui la correzione di questi errori indotti dal rumore è così importante. Fisici fatti diversi progressi su questo fronte nel 2022, ma uno dei più significativi si è verificato a maggio, quando i ricercatori dell'Università di Innsbruck, in Austria, e dell'Università RWTH di Aquisgrana, in Germania, hanno dimostrato per la prima volta una serie completa di operazioni quantistiche tolleranti ai guasti. Il loro computer quantistico a trappola ionica utilizza sette qubit fisici per creare ogni qubit logico, oltre a qubit "flag" per segnalare la presenza di errori pericolosi nel sistema. Fondamentalmente, la versione corretta del sistema ha funzionato meglio di quella più semplice non corretta, illustrando le possibilità della tecnica.
La sicurezza delle informazioni è l'USP della crittografia quantistica, ma le informazioni sono sicure solo quanto l'anello più debole della catena. Nella distribuzione di chiavi quantistiche (QKD), un potenziale anello debole sono i dispositivi utilizzati per inviare e ricevere le chiavi, che sono vulnerabili agli attacchi convenzionali (come qualcuno che irrompe in un nodo e manomette il sistema) anche se le chiavi stesse sono protette contro quelli quantistici. Un'alternativa è utilizzare la QKD indipendente dal dispositivo (DIQKD), che utilizza misurazioni delle disuguaglianze di Bell nelle coppie di fotoni per confermare che il processo di generazione della chiave non è stato alterato. A luglio, due gruppi indipendenti di ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente DIQKD per la prima volta, in un caso generando 1.5 milioni di coppie di Bell entangled in un periodo di otto ore e utilizzandole per generare una chiave condivisa lunga 95 bit. Sebbene il tasso di generazione delle chiavi debba essere più elevato per rendere DIQKD pratico per le reti crittografate del mondo reale, la prova di principio è sbalorditiva.
Le altre particelle entangled in questo elenco di punti salienti sono tutte identiche: fotoni entangled con altri fotoni, ioni con altri ioni, atomi con altri atomi. Ma non c'è nulla nella teoria quantistica che richieda questo tipo di simmetria, e una nuova classe emergente di tecnologie quantistiche "ibride" si basa in realtà sul mescolare le cose. Entrano i ricercatori guidati da Armin Feist dell'Istituto Max Planck per le scienze multidisciplinari in Germania, che hanno dimostrato in agosto di poter intrappolare un elettrone e un fotone utilizzando un microrisonatore ottico a forma di anello e un raggio di elettroni ad alta energia che attraversa l'anello in una tangente. La tecnica ha applicazioni per un processo quantistico chiamato "annunciatore" in cui il rilevamento di una particella in una coppia entangled indica che l'altra particella è disponibile per l'uso in un circuito quantistico, un ottimo esempio di come i progressi fondamentali di oggi guidino le innovazioni di domani.
Un sacco di stranezze quantistiche
Infine, come da tradizione (l'abbiamo fatto due volte, quindi è una tradizione), nessun elenco di punti salienti quantistici è completo senza un cenno a tutto ciò che è strano e sbalorditivo nel campo. Quindi sentiamolo per i ricercatori statunitensi che hanno utilizzato un processore quantistico per simulare il teletrasporto di informazioni attraverso un wormhole nello spazio-tempo; un gruppo in Italia e Francia che ha messo i numeri duri sul indistinguibilità di fotoni indistinguibili; un team internazionale che ha usato le violazioni quantistiche della causalità classica per comprendere meglio la natura di causa ed effetto; e un'intrepida coppia di fisici dell'Università di Edimburgo, nel Regno Unito, che ha dimostrato che i segnali quantistici sarebbero un buon modo per alieni tecnologicamente avanzati per stabilire un contatto attraverso le distanze interstellari. Grazie per aver mantenuto il quantum strano!
