TELETRASPORTO QUANTISTICO Lorenzo Marrucci. Cosè il teletrasporto? Definizione naïve: scomparsa di...
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TELETRASPORTO QUANTISTICO
Lorenzo Marrucci
Cos’è il “teletrasporto”?
Definizione “naïve”: scomparsa di un oggetto da una posizione e simultanea ricomparsa del medesimo oggetto in altra posizione dello spazio (trasferimento senza moto intermedio)
Definizione “naïve”: scomparsa di un oggetto da una posizione e simultanea ricomparsa del medesimo oggetto in altra posizione dello spazio (trasferimento senza moto intermedio)
Una realizzazione concepibile per la fisica classica: il “fax” 3D
oggettooriginale acquisizione informazioni
su posizioni e velocità atomi
originaleintatto
materiagrezza
invio dati
riposizionaatomi
copiaoggetto
Alcune caratteristiche qualitative di questo“teletrasporto classico” stile fax 3D:
• Non si limita a teletrasportare, ma duplica l’oggetto
• Teletrasporto non “simultaneo”: velocità limitata da quella di invio dati (velocità della luce)
Qualche considerazione di “fattibilità”:
Numero atomi (oggetto di 50 kg) 1028
Informazioni per atomo 100 bit (tipo di atomo e posizione relativa)
Informazioni da acquisire, trasferire ed applicare 1030 bit
Tempo necessario (proc. seriale a 10 GHz) 1020 s 31012 y
Considerazioni quantistiche sulla fattibilità del “fax 3D”:
La misura precisa di posizione perturba velocità e quantitàdi moto e quindi aumenta l’energia
px
2342 220
22 27 11
10J 3 10 J
2 2 3 10 10
pE
m m x
La variazione casuale di velocità corrisponde adun riscaldamento:
12 k T E
20
23
2 6 10 J4000 K !!!
1.4 10 J/K
ET
k
Si arrostiscono sia l’originale che la copia!
oggettooriginale acquisizione
informazioni
originaleintatto
invio dati
materiagrezza riposiziona
atomi
copiaoggetto
A un livello più fondamentale:
Si è supposto che lo “stato interno” degli atomi non abbia importanza: ma sarà vero?
Teletrasporto quantistico: ricostruire lo statocompleto | di un oggetto su un altro oggetto
Ma è possibile?
acquisizione informa-zioni su |
invio dati
materia instato | converti
stato in |
oggetto originalein stato |
copiaoggetto
originaleintatto
Analogo quantistico del fax 3D:
E’ impossibile misurare lo stato quantistico di una singolaparticella o di un singolo sistema (la funzione d’onda)
E’ impossibile misurare lo stato quantistico di una singolaparticella o di un singolo sistema (la funzione d’onda)
E’ anche impossibile copiare lo stato quantistico di una particella su un’altra mantenendo imperturbato l’originale
Quantum no cloning theorem [Wooters & Zurek, Nature 299, 802 (1982)]
E’ anche impossibile copiare lo stato quantistico di una particella su un’altra mantenendo imperturbato l’originale
Quantum no cloning theorem [Wooters & Zurek, Nature 299, 802 (1982)]
Il “fax 3D quantistico” è impossibile
Problemi:
oggetto originalein stato | acquisizione informa-
zioni su |
invio dati
materia instato | converti
stato in |
copiaoggetto
originaleintatto
La cosa finisce qui?
Una via d’uscita è stata trovata da C. H. Bennett e altri nel 1992 [Phys. Rev. Lett. 70, 1895 (1993)]
Una via d’uscita è stata trovata da C. H. Bennett e altri nel 1992 [Phys. Rev. Lett. 70, 1895 (1993)]
NO! Anzi qui comincia il divertimento
Idea principale: utilizzare le correlazioni quantistiche di Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) o entanglement
Idea principale: utilizzare le correlazioni quantistiche di Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) o entanglement
Correlazioni EPR o entanglement di particelle:
Esempio: - due particelle: 1 e 2 (distinte dalla posizione) - due stati di singola particella: |a e |b
Uno stato EPR (o entangled): 112 1 2 1 22
a a b b
• Ciascuna particella non ha uno stato ben definito, ma entrambe sì
• Misurando lo stato di una particella si determina istantaneamente quello dell’altra, ovunque essa sia
• Queste correlazioni non possono essere spiegate con un modello locale a variabili nascoste (teorema di Bell, 1964)
Una “base” di stati EPR per due particelle (base di Bell):
1 2 1 2 1 2 1 2, , ,a a a b b a b b
Una base “normale” (particelle indipendenti):
La base di Bell (particelle correlate al massimo grado):
112 1 2 1 22
a a b b
112 1 2 1 22
a a b b
112 1 2 1 22
a b b a
112 1 2 1 22
a b b a
stati simmetrici per scambio posizioni particelle
stato antisimmetrico per scambio posizioni particelle
Procedura per teletrasporto quantistico (5 passi):
Passo 1: preparare una coppia di particelle (2 e 3) in stato EPR, una nel punto di partenza (ALICE) e una nel punto di arrivo (BOB)
123 2 3 2 32
a b b a
Passo 2: ALICE riceve la particella da teletrasportare (1),in stato ignoto (indipendente da particelle 2 e 3)
1 1 1a b 2 2con 1
Lo stato complessivo delle tre particelle è
123 1 23
123 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 32 2a a b a b a b a b b b a
1 1123 12 3 3 12 3 32 2
1 112 3 3 12 3 32 2
a b a b
a b a b
Facciamo due calcoli su questo stato |123:
Passo 3: ALICE fa una misura congiunta sulle particelle 1 e 2 nella base di Bell
Esiti possibili misura: 12 12 12 12, , ,
Probabilità ¼ = 25% per ciascun esito
Al momento della misura di ALICE su 1 e 2, la particella 3 (da BOB) “collassa” istantaneamente nello stato corrispondente:
12
12
12
12 3 3 3a b
3 3 3a b
3 3 3a b
3 3 3a b
(Nota: l’operazione matematica è: 3 = 12123)
Passo 4: ALICE comunica a BOB l’esito della misura con un segnale classico (limitato dalla velocità della luce). Essendo quattro gli esiti possibili, il segnale è di 2 bit.
Passo 5: BOB esegue sulla particella 3 una trasformazione dello stato quantistico (operazione unitaria U) determinata dall’esito della misura su 1 e 2 comunicato da ALICE
12
12
12
12
3 3 3a b
3 3 3a b
3 3 3a b
3 3 3a b
|a → |b e |b → |a
nessuna trasformazione
|a → |b e |b → |a
|b → |b
Risultato finale: 3 3 3a b
La particella 3 ha assunto lo stesso stato della particella 1!
Schema riassuntivo:
Alcune caratteristiche importanti di questo teletrasporto:
• Lo stato | viene trasferito ma non viene misurato (resta ignoto). La particella 1 al termine dell’operazione è in uno stato indeterminato e ha perso ogni memoria dello stato iniziale. Perciò non si viola il teorema “quantum no cloning”.
• E’ richiesta la preparazione preliminare di una coppia di particelle in stato EPR (entangled) e la loro distribuzione nei due siti (passaggio di informazione non classica)
• Al momento del teletrasporto è richiesto il passaggio di informazione classica (come nel fax 3D): questo limita la velocità a quella della luce (teletrasporto non istantaneo, salvo in un caso su 4)
• Il trasferimento dello stato può avvenire sia tra particelle identiche (distinte solo dalla posizione) che tra particelle di tipo diverso
Il metodo descritto può anche essere generalizzato a sistemi a molti gradi di libertà:
Base di Bell di stati EPR per due sistemi 1 e 2, ciascuno a N stati:
2 /12 1 2
1
1mod
Nnm ikn N
k
e k k m NN
Operatore unitario Unm da utilizzare sul sistema 3 per ciascun esito nm della misura nella base di Bell sui sistemi 1 e 2: 2 /
1
ˆ modN
ikn Nnm
k
U e k k m N
Informazioni da mandare classicamente: 2 log2N bit
invio dati suesito misura
applica trasformazioneselezionata da dati
oggetto originale
oggettoteletrasportato
misura congiuntain base di Bell
materia instato EPR
ALICE
BOB
materia in stato EPR
Schema ipotetico del teletrasporto quantistico di un oggetto:
Prime realizzazioni sperimentali del teletrasporto (1997):
Ora descriviamo questo lavoro
Schema sperimentale per il teletrasporto di un fotone (stato quantistico di polarizzazione):
Preparazione del fotone 1 da teletrasportare
Gli stati |a e |b in questo caso sono due polarizzazioni ortogonali (ad esempio |H e |V)
polarizzatore
1 1 1H V
( = cos, = sin)
E
Polarizzazione lineare qualsiasi:
polarizzatore
11 1 12 2
iH V
lamina /4
Polarizzazione circolare:
Preparazione dei fotoni 2 e 3 in stato EPR (entangled)
(Nota: con lo stesso metodo sono generati i fotoni 1 e 4)
/2, H
/2, Vcristallonon lineare
Fluorescenza parametrica:
Aggiungendo opportune lamine birifrangenti,è possibile generare uno qualsiasi degli stati EPR di Bell
Misura dello stato dei fotoni 1 e 2 nella base di Bell (Alice)
“Magie quantistiche” del beam-splitter (divisore di fascio)
modo 1
modo 2
modo 2
modo 1
Assumiamo:
• Divisione al 50%-50%
• Simmetrico per scambio fasci
Matrice unitaria di evoluzione del beam-splitter (singola particella):
12
1 1 11ˆ2 2 21
iU
i
Vediamo ora come agisce su stati di due particelle…
Ragionamento intuitivo:
modo 1
modo 2
modo 2
modo 1
12
1 1 11ˆ2 2 21
iU
i
La riflessione di due fotoni introduce un segno meno.
Stati EPR simmetrici: interferenza distruttiva dei processi di trasmissione e riflessione di entrambi i fotoni
I fotoni si “uniscono”
Stato EPR antisimmetrico : interferenza costruttiva12 I fotoni restano separati
12 1 2 1 2 1 2 1 2
1 2 1 2 1 2 1 2
1 1 1 2 2 1 2 2
1 1 1 2 2 1 2 2
1 1ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ2 2
1
2 21
2 2
U U H V V H U H U V U V U H
H i H i V V V i V i H H
i H V H V H V i H V
i V H V H V H i V H
12 1 1 2 2ˆ
2
iU H V H V
12 1 2 2 1
1ˆ2
U H V H V
I due fotoni vanno sempre dalla stessa parte (1 o 2 )
I due fotoni vanno sempre uno per lato
Analogamente…
12 1 1 2 2 1 1 2 2ˆ
2 2
iU H H H H V V V V
I due fotoni vanno sempre dalla stessa parte
Vediamo i calcoli in dettaglio:
Solo lo stato è riconoscibile (un fotone per lato)12
Conclusioni sul beam-splitter:
In questo esperimento il teletrasporto si può fare solo quando capita questo caso (cioè il 25% delle volte, in media).
E negli altri casi?
Oops! Siamo spiacenti, teletrasporto non riuscito.
E’ anche necessario preservare l’indistinguibilità dei due fotoni
Con fotoni distinguibili (“classici”) l’esito <un fotone per lato> si verifica comunque il 50% delle volte (e non il 25%)
Un ritardo sufficiente rende i due fotoni distinguibili
I pacchetti d’onda devono essere sincronizzati
Trasformazioni dello stato del fotone 4 (Bob)
Con lo stato non è necessaria alcuna trasformazione.12
Come si verifica il successo del teletrasporto?
Misure di coincidenze in funzione del ritardo ottico
Risultati sperimentali:
(necessaria la sottrazione di un “fondo” di eventi spuri)
Un altro sistema: misure di coincidenze a 4 fotoni
Risultati sperimentali:
(senza sottrazione del fondo)
Il teletrasporto quantistico dal 1997 a oggi:
Anno (rivista)
Gruppo Oggetto Particolarità
1998 (Science)
Kimble (Caltech) Luce (stati coerenti del campo)
Sistema continuo (a infinite dimensioni)
1998 (Nature)
Nielsen (Los Alamos Lab)
Atomi diversi in molecola (stati di spin nucleari NMR)
Primo teletrasporto di materia, distanza di pochi Å
2001 (PRL)
Shih (Maryland) Fotoni (polarizzazione) Misura completa in base di Bell (bassissima efficienza)
2002 (PRL)
De Martini (Roma)
Luce (due stati di numero di fotoni)
Alta “fidelity”
2003 (Nature)
Gisin (Ginevra) Fotoni (polarizzazione) Primo teletrasporto su grande distanza (2 km in fibra ottica)
2004 (Nature)
Blatt (Innsbruck)
Wineland (NIST)
Ioni intrappolati (Ca, Be, stati elettronici)
Primo teletrasporto di materia in sistema individuale
2004 (Nature)
Zeilinger (Vienna)
Fotoni (polarizzazione) Oltrepassando il Danubio (600 m di distanza reale)
Il teletrasporto di atomi (Innsbruck 2004)
[Nota: immagini che seguono parzialmente tratte da presentazioni del gruppo di Innsbruck]
Il sistema: trappola lineare di Paul per ioni 40Ca+
Gli stati quantistici |a e |b: stati elettronici dell’atomo
stato fondamentale
stato fondamentale
stato metastabile( 1 s)
stato metastabile( 1 s)
radiazione per controllare stato
radiazione per controllare stato
radiazione per misurare stato
radiazione per misurare stato
fasci laser focalizzati
Controllo dello stato quantistico di un singolo atomo
Per scegliere l’atomo da controllare:
Controllo dello stato quantistico di un singolo atomo
S D
“area” = /2 “area” =
Per controllare lo stato: oscillazioni di Rabi
|S
|D
|E(t)|
t“area” =
Altre eccitazioni utili: i modi vibrazionali degli atomi nella trappola
Notate: coinvolgono tutti gli atomi insieme!
Metodo per creare o misurare l’entanglement[Cirac e Zoller (1995)]
Stati elettronici + vibrazionali:
Indirizzamento simultaneo di stato elettronico e vibrazionale (“blue sideband”)
Indirizzamento del solo stato elettronico (“carrier”)
Procedura per mettere due atomi in stato EPR (entangled):
2 3 2 3 2 3
2 3 2 3 2 3
2 3 2 3
2 3 2 3 2 3
2 3 2 3
2 3 2 3
Procedura per fare una misura completa in base di Bell:
Idea di fondo: (i) usare il processo inverso all’entanglement
112 1 2 1 2 1 22
S D D S S S
112 1 2 1 2 1 22
S S D D S D
112 1 2 1 2 1 22
S S D D D S
112 1 2 1 2 1 22
S D D S D D
(ii) misurare lo stato dei due atomi mediante fluorescenza
Verifica sperimentale del teletrasporto ( “fidelity”)
|S3|S1|2
(1) (3)
stato teletrasportato
Verifica sperimentale del teletrasporto
A che può servire il teletrasporto quantistico?
Crittografia quantistica per telecomunicazione a grande distanza (ripetitori quantistici per trasferire l’entanglement)
Crittografia quantistica per telecomunicazione a grande distanza (ripetitori quantistici per trasferire l’entanglement)
Processo elementare multi-purpose del quantum computing
Processo elementare multi-purpose del quantum computing
Metodo per trasferire uno stato quantistico coerente su un diverso sistema fisico più comodo per le misure
Metodo per trasferire uno stato quantistico coerente su un diverso sistema fisico più comodo per le misure
E poi resta ovviamente il sogno del teletrasporto alla “Star Trek” …
E poi resta ovviamente il sogno del teletrasporto alla “Star Trek” …