Anche i canali quantistici hanno memoria: ricordano i messaggi che li attraversano

Questa immagine rappresenta fibre ottiche luminose.

Chiunque abbia parlato su una linea telefonica difettosa ha sentito questo fenomeno: un’eco debole delle proprie parole, che arriva un attimo in ritardo. In un certo senso, la linea ha ‘ricordato’ ciò che l’ha attraversata. I fisici chiamano questo fenomeno effetto di memoria, e riveste grande importanza per la tecnologia di comunicazione del domani.

La comunicazione quantistica codifica le informazioni in singole particelle, come gli spin di singoli atomi o i fotoni, anziché nei segnali intensi usati oggi. Una delle sue promesse più importanti è la sicurezza: qualsiasi tentativo di intercettare un messaggio quantistico lo disturba, rivelando l’intruso. I ricercatori stanno già testando collegamenti quantistici in tutto il mondo, su cavi in fibra ottica e persino su satelliti.

I messaggi quantistici sono estremamente fragili. Idealmente, il canale che li trasporta dovrebbe essere ripulito dopo ogni messaggio, ma ciò richiede tempo e risorse, per cui è tentatore saltare questo passaggio. Il problema è che ogni messaggio può lasciare una traccia. Immaginate una lavagna cancellata solo in parte dopo essere stata riempita: tracce sbiadite di ciò che era stato scritto in precedenza continuano a trasparire.

Presso l’Università di Malta (UM) studiamo proprio questo fenomeno. Abbiamo dimostrato che anche un lieve disallineamento temporale nel momento in cui il ricevitore memorizza il messaggio fa sì che nel canale si accumulino tracce, per cui la qualità di ogni comunicazione futura diminuisce a ogni utilizzo. Questa memoria limita anche la quantità di entanglement che un canale può fornire. L’entanglement quantistico è una risorsa centrale per ottenere il vantaggio quantistico ed è al centro di molte tecnologie quantistiche.

Poiché la memoria tende ad accumularsi a ogni utilizzo del canale di comunicazione, cioè della fibra ottica oppure di un altro mezzo, sorge una domanda naturale: osservando soltanto ciò che entra e ciò che esce, possiamo capire quante volte un canale è stato usato per comunicare? Conoscere questo numero è utile di per sé: indica a un operatore quanta memoria sta trasportando una linea e se debba essere azzerata prima di un ulteriore utilizzo.

Per scoprirlo, ci siamo rivolti all’apprendimento automatico e abbiamo addestrato un modello a riconoscere i segnali caratteristici di ogni utilizzo. Un simile strumento potrebbe un giorno aiutare gli operatori di rete, anche quelli maltesi, a mantenere affidabili i canali di comunicazione.

Questa ricerca fa parte di ATTESTER, un progetto della UM guidato da Tony Apollaro, Johann Briffa e Gianluca Valentino, in collaborazione con Roberto Salazar e Trevor Spiteri. Il progetto è finanziato da Xjenza Malta, e dalla Malta Digital Innovation Authority, attraverso il ‘R&I Thematic Programmes: Digital Technologies Programme’.

Hayden Zammit è dottorando presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Malta. I suoi interessi di ricerca includono i sistemi quantistici aperti, gli effetti di memoria nei sistemi quantistici aperti, la comunicazione quantistica e il machine learning.

Lo sapevi?

• La luce viaggia nelle fibre ottiche a circa due terzi della sua velocità nel vuoto.

• Dopo 100 km di fibra telecom standard, solo circa una particella di luce ogni 100 riesce ad arrivare a destinazione.

• L’informazione quantistica non può essere copiata, quindi i segnali quantistici non possono semplicemente essere amplificati lungo il percorso come quelli ordinari.

• I fisici chiamano ‘markoviano’ un processo privo di memoria, dal nome del matematico russo Andrey Markov.

• Il Premio Nobel per la fisica 2022 è stato assegnato a esperimenti con particelle di luce in entanglement.

• Le Nazioni Unite hanno dichiarato il 2025 Anno internazionale della scienza e della tecnologia quantistiche.

Per altre curiosità vedi: www.um.edu.mt/think

Spunti in breve

• I collegamenti quantistici sono già arrivati a Malta. Nel 2019, un team che includeva André Xuereb dell’Università di Malta e il premio Nobel Anton Zeilinger ha inviato particelle di luce in entanglement attraverso 96 km di normali cavi sottomarini per telecomunicazioni tra Malta e la Sicilia, dimostrando che questo fragile collegamento sopravvive nei cavi già posati sul fondale marino. Esperimenti successivi hanno poi raddoppiato questa distanza.

https://www.oeaw.ac.at/en/news-1/quantum-encryption-realized-under-the-sea

• Non tutta la memoria è indesiderata. I fisici dell’Università di scienza e tecnologia della Cina hanno posto in entanglement due ‘memorie quantistiche’, nuvole di atomi di rubidio raffreddati con il laser che immagazzinano informazioni quantistiche, su 420 km di fibra ottica. I collegamenti precedenti tra tali memorie coprivano solo decine di chilometri. Le memorie quantistiche dovrebbero diventare elementi fondamentali per trasportare segnali quantistici tra città e paesi. https://www.sciencealert.com/physicists-shatter-quantum-entanglement-distance-record-with-420-kilometers-of-optical-fiber

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Foto della settimana

Illustrazione: generata con IA, utilizzando immagini NASA Blue Marble

Micius, il primo satellite per la comunicazione quantistica al mondo, è stato lanciato dalla Cina nell’agosto 2016. Prende il nome dall’antico filosofo cinese Mozi, che studiò la luce e l’ottica.

Nel 2017, orbitando a circa 500 km sopra la Terra, Micius ha inviato coppie di fotoni in entanglement a due stazioni a terra distanti 1.203 km, un record di distanza all’epoca. Poiché gran parte di quel percorso attraversa uno spazio quasi vuoto, i satelliti offrono una via per collegare luoghi lontani, a integrazione delle reti in fibra a terra.

Nello stesso anno, Micius ha contribuito a rendere possibile una videochiamata di 75 minuti tra Pechino e Vienna, distanti circa 7.600 km, utilizzando chiavi di crittografia quantistica.

Mito sfatato: «L’entanglement permette di inviare messaggi più veloci della luce»

Hayden Zammit

Einstein liquidò notoriamente l’entanglement come ‘azione spettrale a distanza’. Quando due particelle sono in entanglement, misurarne una rivela immediatamente ciò che una misurazione sull’altra mostrerà, indipendentemente dalla distanza che le separa. Viene spontaneo concludere che ciò potrebbe essere usato per inviare messaggi più veloci della luce.

Foto: Paul Ehrenfest/Wikimedia Commons

Ma non è possibile. Da soli, i risultati di ciascuna persona appaiono del tutto casuali, come il lancio di una moneta che nessuna delle due parti può controllare. Lo schema condiviso emerge solo quando si confrontano le due liste di risultati, e questo confronto deve viaggiare con mezzi ordinari, come una telefonata o una connessione internet, che non possono superare la velocità della luce.

Anche la teletrasportazione quantistica, che sfrutta l’entanglement per spostare informazioni quantistiche da un luogo all’altro, richiede un messaggio ordinario per essere completata. L’entanglement è una risorsa potente per la comunicazione sicura, ma non infrange il limite di velocità dell’universo.

Fonte: Times of Malta: https://timesofmalta.com/article/echoes-wire-remembers-university-research-quantum-internet.1136375

Credit foto di copertina: SA/Unsplash

Traduzione dell’articolo originale del Times of Malta: https://timesofmalta.com/article/echoes-wire-remembers-university-research-quantum-internet.1136375

Traduzione fatta con sistema di agenti AI e potrebbero esserci errori.