Immagine della telecamera di un raggio laser in falsi colori, che consiste di fotoni in sovrapposizione con numeri quantici compresi tra +10, 000 e -10, 000. Dopo aver ingrandito due volte, l'enorme complessità della struttura può essere rivelata. Credito:IQOQI Vienna / Robert Fickler
Il team di ricerca dell'Università di Vienna è riuscito a battere due nuovi record durante la sperimentazione con le cosiddette particelle di luce contorte. Questi risultati, ora pubblicato sulla rivista PNAS , non sono solo di fondamentale interesse, ma danno anche uno spunto per l'enorme capacità informativa che una singola particella di luce può offrire in future applicazioni.
Luce contorta
Di volta in volta, proprietà della luce sorprendono il mondo della ricerca. Per esempio, la luce può essere portata a forma di cavatappi per produrre le cosiddette "viti di luce", nel ruolo di Anton Zeilinger, fisico quantistico all'Università di Vienna, descrive. Il fatto sorprendente è che in linea di principio si può imporre un numero qualsiasi di avvolgimenti su ogni singola particella di luce - chiamati fotoni. Maggiore è il numero di avvolgimenti, maggiore è il cosiddetto numero quantico con cui viene descritto il fotone. I risultati degli scienziati viennesi del Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) presso l'Università di Vienna e dell'Institute of Quantum Optics and Quantum Information Vienna (IQOQI Vienna) presso l'Accademia austriaca delle scienze hanno ora utilizzato questa funzione in due documenti, infrangendo i record precedenti sulla distanza di trasmissione e la grandezza del numero quantico.
Messaggio trasmesso a luce intrecciata su 143 chilometri
In linea di principio, la luce contorta può trasportare una grande quantità arbitraria di informazioni per fotone. Questo è in contrasto con la polarizzazione della luce, che è limitato a un bit per fotone. Per esempio, velocità di trasmissione dati fino a 100 terabit al secondo, che corrispondono a circa 120 dischi Blu-Ray al secondo, sono già stati ottenuti in condizioni di laboratorio. La trasmissione in condizioni realistiche, però, è ancora agli inizi. Oltre alla trasmissione su brevi distanze in speciali fibre ottiche, trasmissione di tali raggi luminosi nello spazio libero, richiesto ad esempio per la comunicazione satellitare, era limitato a tre chilometri finora; raggiunto dalla stessa squadra viennese due anni fa.
Vite di luce sulla strada lunga 143 km tra le isole canarie di La Palma e Tenerife. Credito:Università di Vienna
Nello studio attuale, il gruppo di ricerca attorno ad Anton Zeilinger e Mario Krenn mostrano che le informazioni codificate nella luce distorta possono ancora essere ricostruite anche dopo più di 100 chilometri. L'esperimento è stato condotto tra le isole canarie di La Palma e Tenerife, che dista 143 chilometri. "Il messaggio 'Ciao mondo!' è stato codificato su un laser verde con un ologramma ottico, e ricostruito con una rete neurale artificiale sull'altra isola", spiega Krenn, Dottorando nel gruppo di Zeilinger. Avendo dimostrato che queste proprietà della luce sono in linea di principio mantenute su lunghe distanze, ora devono essere combinati con le moderne tecnologie di comunicazione - un compito che già diversi gruppi in tutto il mondo stanno iniziando ad affrontare.
Entanglement quantistico con numeri quantici a 5 cifre
Insieme al gruppo di ricerca di Ping Koy Lam a Canberra, Australia, il gruppo viennese di Anton Zeilinger ha anche studiato la forza con cui i singoli fotoni possono essere attorcigliati nella struttura a vite senza perdere le caratteristiche quantistiche distinte. In altre parole, la fisica quantistica regge ancora nel limite dei grandi numeri quantici o la fisica classica e l'esperienza quotidiana stanno riprendendo il sopravvento? Per questo scopo, i ricercatori hanno approfittato di una nuova tecnica sviluppata dai loro colleghi in Australia. Là, hanno stabilito una tecnica per fabbricare i cosiddetti specchi di fase a spirale per torcere i fotoni in un modo forte senza precedenti e quindi aumentare i numeri quantici a valori enormi. Gli specchi, su misura per l'esperimento di Vienna, consentire la generazione di fotoni a vite con numeri quantici superiori a 10, 000, che è cento volte più grande rispetto agli esperimenti precedenti.
Immagine della vite di luce sulla parete del telescopio Optical Ground Station dell'ESA a Tenerife, Canarie, dopo essere stato trasmesso per più di 100 km. La struttura ad anello, una firma di viti di luce, è ancora ben visibile. Credito:Università di Vienna
All'inizio, i ricercatori viennesi hanno generato coppie di fotoni entangled, cioè due particelle di luce che sono apparentemente collegate nonostante siano separate da una distanza arbitraria. L'entanglement è il fenomeno distinto nella fisica quantistica, che Einstein descrisse come "azione spettrale a distanza". Dopo aver completato questa prima fase, i ricercatori hanno poi distorto uno dei fotoni con gli specchi australiani senza distruggere l'entanglement, dimostrando così che la fisica quantistica vale anche se i numeri quantici a 5 cifre sono entangled. Sebbene guidato da domande fondamentali, le applicazioni future possono già essere previste. "L'enorme complessità della struttura della luce è affascinante e può essere vista come un'indicazione intuitiva su quante informazioni dovrebbero stare su un singolo fotone", spiega Robert Fickler, autore principale dello studio e attualmente lavora come borsista post-dottorato presso l'Università di Ottawa, Canada.
Quindi, in entrambi gli studi i ricercatori hanno creato nuovi record con "viti di luce" per indagare su questioni fondamentali e aprire la strada a possibili tecnologie future.
