Luce Intricata, Denaro Quantico

Negli ultimi anni, il fisico austriaco Anton Zeilinger ha fatto rimbalzare fotoni entangled su satelliti in orbita e ha creato molecole di fullerene da 60 atomi in sovrapposizione quantistica, essenzialmente come una macchia di tutte le loro possibili posizioni e stati energetici nello spazio-tempo locale. Ora spera di provare la stessa acrobazia con batteri centinaia di volte più grandi. Nel frattempo, Hans Mooij della Delft University of Technology, con Seth Lloyd, che dirige il Center for Extreme Quantum Information Theory del MIT, ha creato stati quantistici (che si verificano quando particelle o sistemi di particelle sono sovrapposti) su scale molto al di sopra del livello quantistico costruendo un anello superconduttore, visibile all'occhio umano, che trasporta una supercorrente i cui elettroni corrono simultaneamente in senso orario e antiorario, fungendo così da circuito di calcolo quantistico.

Due nodi di una rete quantistica che i ricercatori del Caltech hanno creato bloccando i fotoni entangled all'interno di due insiemi di atomi di cesio alloggiati in un sistema ad altissimo vuoto. L'archiviazione temporanea dell'entanglement fornisce una base per l'archiviazione di dati quantistici, che potrebbe essere utile per varie applicazioni, inclusa la crittografia quantistica.

Il fisico Richard Feynman ha proposto l'idea del calcolo quantistico nel 1981 per sfruttare il potenziale di elaborazione delle informazioni di atomi, fotoni e particelle elementari. Ormai, il campo è sufficientemente avanzato che i ricercatori non solo sono in grado di manipolare la fisica per effetti sperimentali senza precedenti, ma hanno proposto applicazioni commerciali.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2009

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Ma prima che tecnologie come le comunicazioni quantistiche, l'informatica e la metrologia possano realizzare il loro potenziale (un Internet quantistico e denaro non contraffatto sono due possibilità interessanti), le reti quantistiche devono essere in grado di trasmettere e archiviare dati. Il gruppo di ottica quantistica del California Institute of Technology ha lavorato per raggiungere questo obiettivo. Il team è guidato da H. Jeff Kimble, professore di fisica di Valentine, che ha guidato lo sforzo del 1998 che ha raggiunto il primo teletrasporto inequivocabile dello stato quantico di un fotone, ovvero l'informazione rappresentata dalla sua rotazione, energia e simili, a un altro fotone. . Ora Kimble e il suo team hanno dimostrato un modo per creare in rete l'entanglement, la relazione non locale che consente il teletrasporto quantistico, che Einstein liquidava con scetticismo come un'azione spettrale a distanza.

Proprio come il movimento degli elettroni nei circuiti del microprocessore trasmette dati all'interno dei computer di oggi, il teletrasporto degli stati quantistici tra particelle entangled svolgerebbe questo compito nelle reti quantistiche. Per quanto riguarda l'archiviazione dei dati, afferma Kyung Soo Choi, ricercatore del gruppo di Kimble, una domanda centrale che uno dei loro recenti esperimenti ha risolto è stata: come si converte la luce in un groviglio di materia e di nuovo in luce? Gli stati entangled sono fragili e le reti di luce entangled richiederanno dispositivi ripetitivi, proprio come le reti in fibra ottica a lunga distanza richiedono dispositivi ripetitori optoelettronici per rigenerare segnali in diminuzione. Pertanto, l'entanglement dovrà essere generato e archiviato in sottosistemi di componenti all'interno di una rete quantistica più ampia. Ora Kimble e il suo team hanno dimostrato una soluzione tecnica al problema.

RISORSE:
Nodi quantistici funzionali per la distribuzione dell'entanglement su reti quantistiche scalabili
Chin-Wen Chou, Julien Laurat, Hui Deng, Kyung Soo Choi, Hugues de Riedmatten, Daniel Felinto e H. Jeff Kimble
Scienza 316: 1316–1320 (2007)

Mappatura dell'entanglement fotonico dentro e fuori una memoria quantistica
K. S. Choi, H. Deng, J. Laurat e H. J. Kimble
Natura 452: 67-71 (2008).

Il team di Caltech ha utilizzato due insiemi di atomi di cesio i cui stati hanno influenzato con un laser, rendendoli trasparenti o opachi secondo necessità per manipolare la velocità dei fotoni in arrivo. I ricercatori hanno quindi diviso i singoli fotoni, mettendoli in sovrapposizione, ovvero facevano parte della stessa funzione d'onda quantistica e, quindi, si sono intrecciati, assicurandosi che si propagassero lungo due percorsi nei due insiemi di cesio. Choi spiega: Abbiamo rallentato la luce a passo d'uomo e l'abbiamo fermata all'interno della materia disattivando il laser di controllo che rendeva trasparenti gli insiemi di cesio, quindi le informazioni quantistiche, la luce entangled, sono state archiviate all'interno degli insiemi atomici. Riattivando il laser di controllo, abbiamo riaccelerato i fotoni alla velocità normale, ripristinando i fasci di luce entangled. Finora, i ricercatori del Caltech hanno immagazzinato l'entanglement nella materia per intervalli di un microsecondo. Kimble stima che lui e il suo team possono estenderlo a 10 microsecondi.

Kimble possiede i modi cortesi da gentiluomo del Texas, come ho scoperto dopo che il suo responsabile di laboratorio lo ha trovato 15 minuti sul programma dopo due settimane in cui il fisico era assente, facendo presentazioni a quattro conferenze in due continenti. Quei 15 minuti sono diventati un tutorial sui recenti progressi tecnici nella verifica e quantificazione dell'entanglement. La misurazione è il problema centrale della meccanica quantistica, poiché qualsiasi particella o sistema esiste in uno stato quantistico solo fino a quando un altro sistema, leggero come una molecola d'aria vagante o complesso come un osservatore umano, ottiene informazioni su di esso e quindi fa crollare quello stato. . Questa è roba astrusa da capogiro. Oltre a discutere della metrologia quantistica, Kimble ha fatto un'affermazione facilmente comprensibile: la base tecnica della nostra società è il commercio di informazioni. Nei prossimi 20 anni, la scienza dell'informazione quantistica, una fusione di informatica e meccanica quantistica che 20 anni fa non esisteva, cambierà radicalmente quel commercio.

La tecnologia rivoluzionaria immaginata da Kimble è costituita da grandi reti quantistiche, simili a Internet ma basate sull'entanglement. Quali vantaggi intrinseci promuoverebbero lo sviluppo e l'adozione di tali reti?

Sostanziali. Le reti quantistiche sono già state costruite su scala limitata. Nel 2004, il primo sistema di crittografia quantistica permanente al mondo è stato attivato a Cambridge, MA, collegando Harvard, l'Università di Boston e l'appaltatore DARPA BBN Technologies (precedentemente noto come Bolt Beranek e Newman, con il nome con cui l'azienda ha creato l'originale ARPAnet). Oggi id Quantique, una società svizzera, e MagiQ Technologies, una statunitense, offrono moduli commerciali che utilizzano la fibra ottica per trasmettere chiavi quantistiche, sotto forma di fotoni codificati come bit controllando la loro polarizzazione, su distanze limitate che raggiungono circa 100 chilometri. Poiché il tentativo di intercettazione di queste particelle di luce disturberebbe il loro stato ed esporrebbe le intercettazioni, tali sistemi di crittografia quantistica offrono un'assoluta sicurezza dei dati.

Inoltre, la prospettiva dell'informatica quantistica ha fornito l'impulso iniziale alla ricerca sulle reti quantistiche. Se tale elaborazione può essere eseguita seriamente (finora, gli esperimenti hanno utilizzato al massimo sette qubit, o cifre binarie quantistiche), promette di superare l'informatica classica in aspetti significativi. Scott Aaronson, un esperto del MIT di complessità computazionale, cita l'algoritmo pubblicato nel 1994 dal matematico del MIT Peter Shor come l'innovazione che ha dimostrato che il calcolo quantistico è una proposta praticabile, dimostrando che può scomporre numeri molto grandi in un tempo di calcolo ragionevole. Poiché questo compito è andato al di là dei computer classici, la maggior parte della crittografia a chiave pubblica è stata finora basata sulla fattorizzazione di grandi numeri. Ma sarebbe vulnerabile alla crittoanalisi basata sull'informatica quantistica. Come dice Aaronson, ecco perché la National Security Agency è interessata all'informatica quantistica. La crittografia quantistica, tuttavia, offrirebbe la sicurezza dei dati contro la violazione del codice quantistico e contro la normale crittoanalisi.

Oltre a garantire la sicurezza dei dati, le reti quantistiche di ripetitori WAN, o QWAN, che Kimble ha in mente presenterebbero pochi dei problemi di latenza delle reti attuali, anzi, potrebbero essere quasi istantanee per quanto consentito dalla velocità della luce. Inoltre, il parallelismo esponenziale che darebbe al calcolo quantistico la sua potenza, con due particelle entangled, o qubit, che rappresentano quattro valori diversi, quattro valori di qubit 16 e così via, dovrebbe applicarsi alle reti di dispositivi di calcolo quantistico. Kimble dice, anche se ci sarà una dimensione più grande raggiungibile per lo spazio degli stati delle singole unità di elaborazione quantistica, sarà possibile superarla collegando quelle unità insieme in una rete completamente quantistica. Lo spazio degli stati di un computer quantistico è l'intera gamma di potenziali stati in cui il computer potrebbe esistere. Quando viene eseguito un algoritmo quantistico, questo processo computazionale fa collassare quello spazio degli stati e riduce la gamma di possibili stati del computer a uno solo: la risposta corretta al problema dato. Con una rete di computer quantistici, sostiene Kimble, la potenza di calcolo esponenziale di ciascun dispositivo verrebbe moltiplicata in modo esponenziale.

Seth Lloyd del MIT ha riflettuto sulle opzioni di progettazione per le reti quantistiche. Dice: Le reti che utilizzano insiemi di atomi di cesio sono una delle tecnologie più promettenti per il trasporto di informazioni quantistiche su lunghe distanze. Eppure l'approccio d'insieme è relativamente ingombrante, e più grande è un sistema quantistico, maggiori sono i problemi per l'informatica. Lloyd afferma: Gli approcci basati su circuiti come i circuiti superconduttori sono più scalabili in un piccolo spazio, con un numero potenzialmente elevato di qubit su un circuito. Ma tali sistemi non sono adatti alle comunicazioni. Kimble e io abbiamo collaborato su concetti utilizzando singoli atomi invece di insiemi, dice. Se potessimo spostare le informazioni tra insiemi atomici e singoli ioni e trappole ioniche, questa sarebbe una tecnologia quantistica scalabile. Uno scenario plausibile, secondo Lloyd, sembra essere quello di utilizzare insiemi per le comunicazioni e dispositivi quantistici più localizzati e scalabili, come i circuiti superconduttori o le trappole ioniche, per il calcolo.

Quindi Kimble ha una ragionevole argomentazione sulla fattibilità delle reti quantistiche. E i vantaggi che immagina - assoluta sicurezza dei dati, nessuna latenza e un ulteriore aumento esponenziale della potenza di calcolo - sarebbero difficilmente trascurabili nel mondo del commercio di informazioni.

Alcune applicazioni commerciali della tecnologia dell'informazione quantistica sono abbastanza ovvie. I commercianti di azioni umane si affidano ai programmi di trading computerizzati noti come trader ad alta frequenza (HFT). In alcuni giorni, questi generano più della metà del volume alla Borsa di New York. Le principali istituzioni commerciali hanno speso milioni per sviluppare i loro algoritmi per analizzare i dati di mercato ed eseguire un gran numero di operazioni secondo strategie che sono, per lo più, variazioni sofisticate sull'acquisto di microsecondi dopo l'arrivo di alcuni dati e poi sulla vendita di microsecondi dopo a spese di altri trader che potrebbero t ottenere i dati o le loro operazioni più rapidamente. I trader di futures che utilizzano reti quantistiche quasi istantanee avranno chiari vantaggi rispetto a quelli che non lo fanno.

Sono possibili anche altre applicazioni commerciali. Scott Aaronson ne ha suggerito uno in un articolo intitolato Quantum Copy-Protection e Quantum Money. Ha osservato che gli stati quantistici non possono essere copiati perché qualsiasi processo di misurazione li distrugge, il che aumenta la possibilità di utilizzare gli stati quantistici come informazioni non clonabili. Sfruttare questa possibilità richiederà di aggirare il fatto che gli stati quantistici collassano durante la misurazione e creare, in primo luogo (ai fini della moneta quantistica), stati non clonabili che possono essere verificati come autentici, e in secondo luogo (ai fini della protezione quantistica dalla copia), stati non clonabili che sarebbero consentire comunque l'utilizzo del software protetto, dei DVD, dei CD e così via. Aaronson ha dimostrato che almeno un tipo di moneta quantistica verificabile pubblicamente e due schemi per la protezione dalla copia basata su quantistica sono teoricamente fattibili, aumentando la possibilità, per la prima volta in assoluto, di denaro assolutamente non falsificabile e protezione insormontabile dei diritti digitali.

La prima generazione di moneta è emersa con l'invenzione delle monete in Lidia quasi 3000 anni fa, la seconda generazione con le cambiali cartacee emesse dalle banche dell'Italia rinascimentale e la terza con la moneta elettronica e l'economia virtuale dell'era moderna. Se scienziati come Kimble e Aaronson hanno ragione, le reti quantistiche potrebbero presto generare un'ulteriore generazione di denaro.

Mark Williams è un redattore collaboratore di Revisione della tecnologia.

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