Un satellite cinese ha diviso coppie di "fotoni aggrovigliati" e li ha trasmessi a stazioni di terra separate distanti 745 miglia (1.200 chilometri), battendo il precedente record di distanza per tale impresa e aprendo nuove possibilità nella comunicazione quantistica.
Nella fisica quantistica, quando le particelle interagiscono tra loro in un certo modo diventano "intrecciate". Ciò significa essenzialmente che rimangono collegati anche se separati da grandi distanze, in modo che un'azione eseguita su uno influisca sull'altro.
In un nuovo studio pubblicato online oggi (15 giugno) sulla rivista Science, i ricercatori riportano la riuscita distribuzione di coppie di fotoni aggrovigliati in due posizioni sulla Terra separate da 1.247 km (747,5 miglia).
L'entanglement quantistico ha interessanti applicazioni per testare le leggi fondamentali della fisica, ma anche per creare sistemi di comunicazione eccezionalmente sicuri, hanno detto gli scienziati. Questo perché la meccanica quantistica afferma che la misurazione di un sistema quantistico lo disturba inevitabilmente, quindi qualsiasi tentativo di intercettazione è impossibile da nascondere.
Ma è difficile distribuire particelle aggrovigliate - normalmente fotoni - su grandi distanze. Quando si viaggia in aria o su cavi in fibra ottica, l'ambiente interferisce con le particelle, quindi con distanze maggiori, il segnale decade e diventa troppo debole per essere utile.
Nel 2003, Pan Jianwei, professore di fisica quantistica all'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, iniziò a lavorare su un sistema basato su satellite progettato per trasmettere coppie di fotoni intrecciati verso le stazioni di terra. L'idea era che, poiché la maggior parte del viaggio della particella sarebbe stata attraverso il vuoto dello spazio, questo sistema avrebbe introdotto molta meno interferenza ambientale.
"Molte persone hanno pensato che fosse un'idea folle, perché era già molto impegnativo fare i sofisticati esperimenti di ottica quantistica all'interno di un tavolo ottico ben schermato", ha detto Pan a Live Science. "Allora, come puoi fare esperimenti simili su una distanza di migliaia di chilometri e con gli elementi ottici che vibrano e si muovono a una velocità di 8 chilometri al secondo?"
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato il satellite cinese Micius, lanciato lo scorso anno, per trasmettere le coppie di fotoni aggrovigliati. Il satellite è dotato di una sorgente di fotoni intrecciati ultra-luminosi e di un sistema di acquisizione, puntamento e tracciamento (APT) ad alta precisione che utilizza laser beacon sul satellite e in tre stazioni terrestri per allineare il trasmettitore e i ricevitori.
Una volta che i fotoni hanno raggiunto le stazioni di terra, gli scienziati hanno effettuato dei test e hanno confermato che le particelle erano ancora intrappolate nonostante avessero viaggiato tra 994 miglia e 1.490 miglia (1.600 e 2.400 km), a seconda dello stadio della sua orbita in cui era posizionato il satellite.
Solo i 10 km più bassi dell'atmosfera terrestre sono abbastanza spessi da causare significative interferenze con i fotoni, hanno detto gli scienziati. Ciò significa che, secondo gli scienziati, l'efficienza complessiva del loro collegamento era di gran lunga superiore ai metodi precedenti per la distribuzione di fotoni aggrovigliati tramite cavi a fibre ottiche.
"Abbiamo già raggiunto un'efficienza di distribuzione dell'entanglement a due fotoni un trilione di volte più efficiente dell'utilizzo delle migliori fibre di telecomunicazione", ha affermato Pan. "Abbiamo fatto qualcosa che era assolutamente impossibile senza il satellite."
Oltre a condurre esperimenti, uno dei potenziali usi di questo tipo di sistema è la "distribuzione di chiavi quantistiche", in cui i sistemi di comunicazione quantistica vengono utilizzati per condividere una chiave di crittografia tra due parti che è impossibile intercettare senza avvisare gli utenti. Se combinato con l'algoritmo di crittografia corretto, questo sistema non è crackabile anche se i messaggi crittografati vengono inviati su normali canali di comunicazione, hanno detto gli esperti.
Artur Ekert, professore di fisica quantistica all'Università di Oxford nel Regno Unito, è stato il primo a descrivere come i fotoni intrecciati potrebbero essere usati per trasmettere una chiave di crittografia.
"L'esperimento cinese è un notevole successo tecnologico", ha detto Ekert a Live Science. "Quando ho proposto la distribuzione di chiavi quantistiche a base intricata nel 1991, quando ero uno studente a Oxford, non mi aspettavo che fosse elevato a tali altezze!"
L'attuale satellite non è del tutto pronto per l'uso in pratici sistemi di comunicazione quantistica, tuttavia, secondo Pan. Per uno, la sua orbita relativamente bassa significa che ogni stazione di terra ha una copertura di soli 5 minuti ogni giorno, e la lunghezza d'onda dei fotoni usati significa che può funzionare solo di notte, ha detto.
Aumentare i tempi e le aree di copertura significherà lanciare nuovi satelliti con orbite più alte, ha detto Pan, ma ciò richiederà telescopi più grandi, tracciamento più preciso e maggiore efficienza del collegamento. Le operazioni diurne richiederanno l'uso di fotoni nelle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, ha aggiunto.
Ma durante lo sviluppo di future reti di comunicazione quantistica richiederà un lavoro considerevole, Thomas Jennewein, professore associato presso l'Istituto di calcolo quantistico dell'Università di Waterloo in Canada, ha affermato che il gruppo Pan ha dimostrato uno dei principali elementi costitutivi.
"Ho lavorato in questa linea di ricerca dal 2000 e ho ricercato implementazioni simili di esperimenti di entanglement quantistico dallo spazio, e quindi posso attestare moltissimo l'audacia, la dedizione e le abilità che questo gruppo cinese ha dimostrato", ha detto a Live Science .
