La natura quantistica della luce sopravvive ai viaggi nello spazio

La misteriosa natura quantistica della luce verificata da un esperimento italiano attraverso la costruzione di un "laboratorio virtuale" lungo 3.500 km.

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|Marco Tomasin

Il dualismo onda corpuscolo, uno dei principi base della meccanica quantistica, è stato verificato utilizzando i satelliti in orbita e stabilendo un nuovo record di distanza per questo genere di esperimenti: 3.500 km.

 

Secondo questo principio ogni particella elementare presenta comportamenti che sono tipici sia delle onde, per esempio possono interferire, che dei corpuscoli, ovvero vengono rivelati come un unico oggetto microscopico localizzato nello spazio.

 

Non è possibile però concepire un esperimento in cui entrambi i tratti si osservano contemporaneamente, e per questo motivo ci si può porre la domanda se sia la configurazione sperimentale a causare il comportamento ondulatorio o corpuscolare delle particelle.

 

Onde o corpuscoli? Nel 1978 il fisico John Archibald Wheeler ha suggerito il cosiddetto esperimento a scelta ritardata  (Wheeler’s delayed-choice experiment), vale a dire un esperimento la cui configurazione viene scelta solo dopo che la particella ha iniziato ad interagire con gli strumenti che lo compongono, ovvero solo dopo che la particella abbia definito le sue caratteristiche ondulatorie o corpuscolari entrando nell’apparato.

 

L’interpretazione classica di questo esperimento porta ad “una strana inversione del normale ordine del tempo”, in cui una certa azione, come la scelta della configurazione dell’apparato, condiziona la decisione che la particella aveva già preso nel suo passato, portando ad una apparente violazione del principio di causa-effetto.

 

Se si guarda allo stesso esperimento con occhi puramente quantistici invece il paradosso si risolve, perché la particella mantiene la sua duplice natura di onda-corpuscolo per tutto il tempo dell’esperimento: la particella è descritta da una funzione d’onda quantistica, e che si comporta analogamente ad un’onda prima di essere rivelata, quando assume le caratteristiche corpuscolari.

 

Negli ultimi due decenni, le tesi di Wheeler sono state testate sperimentalmente, soprattutto con i fotoni. Ma la distanza più lunga percorsa da un fotone in questi esperimenti era di circa 140 chilometri.

 

Esperimento via satellite. Ora, Paolo Villoresi e i suoi colleghi dell'Università di Padova e Matera hanno utilizzato dei satelliti per testare la meccanica quantistica anche a migliaia di chilometri, puntando a verificare fino a che distanza la teoria quantistica risulti valida.

 

Nel loro lavoro, pubblicato su Science Advances,  i ricercatori italiani hanno realizzato l’esperimento di Wheeler lungo un canale spaziale di 3500 km, dimostrando la validità della descrizione quantistica in un contesto, quello spaziale, ancora inesplorato e in cui anche la gravità potrebbe giocare un ruolo.

 

Per riuscire a farlo, i ricercatori hanno utilizzato un particolare interferometro, al momento unico al mondo nel suo genere, che si estende nello spazio dalla stazione di laser-ranging MLRO di Matera fino a comprendere satelliti dotati di prismi retro-riflettori in orbita.  

 

Dal punto di vista applicativo, il loro lavoro mette in luce l’avanguardia italiana nelle comunicazioni quantistiche satellitari che rivestiranno un ruolo sempre maggiore da qui in avanti nel campo delle comunicazioni criptate su grandi distanze. Sfruttando contemporaneamente, per la prima volta, la codifica dell’informazione quantistica sia nella fase che nella polarizzazione di singoli fotoni, il team UniPD-ASI ha mostrato come si possa aumentare la capacità di trasmissione anche lungo un canale spaziale.

 

Lo sviluppo di questo nuovo campo di ricerca è appena cominciato, e ha già portato altri paesi come Cina, Giappone, Germania, Canada, Singapore ed Austria ad investire fortemente in queste tecnologie, come dimostrano le recenti dimostrazioni in orbita da parte di Micius, il satellite dedicato alle comunicazioni quantistiche satellitari lanciato dall’Accademia delle Scienze cinese l’anno scorso (e responsabile di un primo esperimento di teletrasporto).

 

Questo lavoro dimostra però come l’Italia abbia tutte le carte in regola per restare al passo delle altre potenze mondiali in questo ambito che sarà sempre più strategico negli prossimi anni.

26 Ottobre 2017

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