MILANO - Nei fantascientifici esperimenti di teletrasporto che Star Trek ci ha già fatto conoscere nella dimensione fantastica ora gli scienziati tentano il colpo grosso. Finora avevano compiuto la prodezza di teletrasportare le caratteristiche di un atomo da un luogo all’altro. Adesso cercheranno di fare altrettanto con qualcosa di più consistente: delle sferette di silicio. L’impresa è ardua ma già è sulla carta preparata dai ricercatori del Caltech americano, il politecnico della California. Il tutto è stato ufficializzato sui Proceedings of the National Academy of Sciences statunitense.

LASER- Il temerario della meccanica quantistica su cui si basa l’esperimento è Darrik Chang il quale propone di utilizzare fasci di luce laser già predisposti nella loro caratteristiche per essere teletrasportati, proiettandoli su sferette di silicio del diametro di cento nanometri (milionesimi di millimetro) equivalenti a un centesimo del capello umano. In questo modo il fascio di luce compie due operazioni: isola le sferette facendole levitare, eliminando tutti i disturbi ambientali circostanti che potrebbero «impedire» il viaggio, in secondo luogo trasmette le sue proprietà di teletrasporto alle sferette stesse realizzando l’operazione. Se riesce siamo passati dal teletrasporto di singoli atomi al teletrasporto di sferette con 10 milioni di atomi, quindi un oggetto che si avvicina al mondo reale. In altre parole, l’esperimento mira a rendere evidenti a livello di un sistema meccanico di dimensioni vicine a quelle normali i comportamenti strani previsti dalla meccanica quantistica che Einstein bollava come spettrali azioni a distanza. Aspettiamo e vediamo se l’artificio funziona.

di Giovanni Caprara (fonte: corriere della sera)

 

Il teletrasporto: dalla fantascienza di Star Trek

alla realtà della Meccanica Quantistica

 

"La fantascienza come Star Trek non è solo un buon divertimento, ma assolve anche uno scopo serio, che è quello di espandere l'immaginazione umana. Non siamo ancora in grado di arrivare là dove nessuno è mai arrivato prima, ma almeno possiamo farlo mentalmente... la fantascienza di oggi è spesso la scienza di domani. La fisica di Star Trek merita certamente di essere investigata. Limitare la nostra attenzione a questioni terrestri equivarrebbe a fissare dei confini allo spirito umano."

                                                                                                                                                                                     Stephen Hawking

 

 

L'Enterprise sfreccia velocissima attraverso le profondità del Cosmo a Warp 9.6, la massima velocità consentita secondo il Next Generation Technical Manual dell'astronave, diretta verso un pianeta con caratteristiche simili alla Terra nella Zona Neutrale della Galassia. In orbita attorno al pianeta l'Enterprise attende l'arrivo di un'astronave di rifornimento, proveniente dall'altro estremo del sistema solare, che trasporta i componenti di ricambio necessari per un'eventuale riparazione delle bobine d'energia, indispensabili per un corretto funzionamento del teletrasporto.

 

 

Mentre l'Enterprise riceve i pezzi di ricambio, il Comandante Kirk, il dottor McCoy ed il Vulcaniano Spock decidono di esplorare il pianeta alla ricerca di forme di vita; quindi entrano nel teletrasporto dove subiscono una fase di smaterializzazione atomica, per poi ricomparire istantaneamente sul suolo del pianeta. Terminata l'esplorazione, il Comandante Kirk chiama l'Enterprise, pronunciando la ormai famosissima frase: "Sig. Scott, ci faccia risalire."

 

 

Istantaneamente i tre membri dell'equipaggio vengono smaterializzati per poi ricomparire, interi ed in ottima salute, a bordo dell'Enterprise. Ebbene, chi non ha mai sognato di utilizzare il teletrasporto per scomparire, istantaneamente, dal posto di lavoro o di studio, per ritrovarsi sulle calde spiagge di un'isola esotica?

Il grande fisico Stephen Hawking, padre della teoria dei Buchi Neri ed autore di uno dei tentativi più avanzati di unificazione della Relatività Generale con la Meccanica Quantistica, ha detto: "La fantascienza come Star Trek non è solo un buon divertimento, ma assolve anche uno scopo serio, che è quello di espandere l'immaginazione umana. Non siamo ancora in grado di arrivare là dove nessuno è mai arrivato prima, ma almeno possiamo farlo mentalmente... la fantascienza di oggi è spesso la scienza di domani. La fisica di Star Trek merita certamente di essere investigata. Limitare la nostra attenzione a questioni terrestri equivarrebbe a fissare dei confini allo spirito umano."

 

 

Le parole profetiche di Stephen Hawking sono diventate realtà nel 1997, quando il gruppo di Anton Zeilinger dell'istituto di Fisica Sperimentale di Vienna è riuscito a teletrasportare dei fotoni, i componenti elementari della luce, da un lato all'altro del loro laboratorio, ed attualmente sono in corso esperimenti per teletrasportare atomi, molecole ed interi virus. Cosa significa tutto questo? Che in un futuro non lontano potremo utilizzare anche noi, come l'equipaggio dell'Enterprise, il nostro teletrasporto personale, per andare da casa al lavoro, ma anche per fare un salto al bar e salutare i nostri amici? Ma torniamo con i piedi per terra e vediamo quali sono i problemi, purtroppo reali, che bisogna affrontare affinché la tecnologia del teletrasporto diventi una fantastica realtà.

 

 

La Meccanica Quantistica, almeno in linea teorica, non vieta il teletrasporto di corpi macroscopici come esseri umani, lavatrici o elefanti, ed il sogno di tutti noi è di usufruire di un teletrasporto, stile Star Trek, che analizzi l'esatta composizione atomica del nostro corpo e ne invii i dati ad una stazione ricevente, dove possiamo essere ricostruiti integralmente.

Purtroppo il teletrasporto previsto dalle leggi della Meccanica Quantistica distrugge, necessariamente, l'originale. In dettaglio questo significa che con una stazione di teletrasporto sulla Terra, ed una su Alfa Centauri distante da noi "soltanto" quattro anni luce, il corpo di un viaggiatore verrebbe distrutto sulla Terra nel momento stesso in cui viene scandito, atomo per atomo, per poi essere ricostruito su Alfa Centauri utilizzando il materiale atomico grezzo, disponibile nella stazione di arrivo.

Ma anche le leggi della Meccanica Quantistica impongono un limite alla velocità di trasmissione dei dati, che non possono superare la velocità della luce, quindi il nostro ipotetico viaggiatore verrebbe ricomposto su Alfa Centauri solo quattro anni dopo la sua smaterializzazione atomica avvenuta sulla Terra.

Fino a poco tempo fa il teletrasporto non veniva preso in seria considerazione dai fisici perché sembrava violare il Principio di Indeterminazione di Heisenberg, il principio fondamentale della fisica dei quanti.

In parole povere a livello atomico non è possibile conoscere, simultaneamente, la velocità e la posizione di un atomo o di una particella come un elettrone. Più informazioni si hanno sulla velocità della particella e meno si conosce la sua posizione, tanto che se si riuscisse a calcolare l'esatta velocità della particella, non si avrebbe la più pallida idea di dove essa si trovi nello spazio tridimensionale.

Quindi, in definitiva, quanto più è preciso il processo di scansione tanto più l'oggetto viene perturbato; il risultato è che ad un certo punto l'oggetto originale viene distrutto senza che se né possa estrarre l'informazione, necessaria e sufficiente, da consentire la realizzazione della copia.

Ma gli scienziati, che hanno effettuato i primi esperimenti di teletrasporto, sono riusciti ad aggirare il Principio di Indeterminazione, usando un argomento paradossale noto come EPR dai nomi di Einstein, Podolsky e Rosen, che l'hanno ideato. (Paradossalmente Einstein l'aveva ideato proprio per dimostrare l'incoerenza della fisica dei quanti, ironia della sorte.) Questo effetto EPR implica un'azione immediata a distanza tra due oggetti, in pratica si avrebbe uno scambio di informazione, almeno in apparenza, ad una velocità superiore a quella della luce.

Ma rigorosi esperimenti di fisica quantistica hanno dimostrato, al di là di ogni ragionevole dubbio, che se due oggetti prima uniti e poi separati a grande distanza conservano una specie di memoria comune, quindi una modifica su uno dei due oggetti, come l'atto di misurazione o di scansione, si riproduce istantaneamente anche sull'altro oggetto, qualunque sia la distanza che li separi.

Ma i due oggetti non hanno scambiato informazioni tra di loro, perché nessun segnale può viaggiare a velocità superiore a quella della luce. Secondo Einstein, Podolsky e Rosen esiste in ogni atomo, fotone o particella infinitamente piccola una parte di informazione impossibile da analizzare e diversa dall'informazione ordinaria che può essere analizzata e trasmessa.

Questa piccola informazione venne chiamata correlazione o entanglement EPR.

 

 

Nel 1960 John Bell dimostrò che una coppia di particelle entangled, in contatto tra di loro e poi separate in modo da non poter più interagire direttamente, possono esibire un comportamento che è troppo correlato per poter essere spiegato con le classiche leggi statistiche. L'effetto EPR delle particelle è un elemento importantissimo per la perfetta riuscita del teletrasporto, perché grazie ad esso è possibile trasmettere quella parte di informazione che è troppo fragile per poter essere quantizzata e trasmessa con metodi convenzionali.

Per semplicità possiamo considerare un sistema fisico composto da due parti, A e B, che si separano e si allontanano in direzioni diverse a velocità relativistiche. In qualsiasi momento è possibile misurare una proprietà caratteristica P_A di A, ed altrettanto può essere fatto misurando la caratteristica P_B di B.

Nello strano mondo della Meccanica Quantistica i risultati delle due misure, P_A e P_B, sono sempre correlati tra loro; cioè da un'analisi del valore di P_A possiamo dedurre il valore di P_B, anche se i due corpi si trovano ad una distanza tale che nessuna radiazione elettromagnetica può trasmettere informazioni tra le due parti.

Per esempio possiamo prendere una banconota, dividerla in due parti e consegnare una metà al Signor A e l'altra metà al Signor B; i quali, all'oscuro di quale parte di banconota è in loro possesso, si allontanano su due astronavi velocemente tra di loro ed in direzioni opposte.

Nell'istante in cui il Signor A guarderà la propria metà di banconota, capirà immediatamente quale metà è in possesso del Signor B, e viceversa.

La correlazione (entanglement) dei risultati esiste perché era già esistente, e ben definita, prima che i Signori A e B guardassero la propria metà di banconota, eliminando il paradosso di uno scambio di informazioni a velocità superiori a quella della luce.

Il gruppo di Zeilinger a Vienna ha utilizzato due fotoni entangled A e B, con A posto nella stazione trasmittente e B in quella ricevente, i quali in base all'effetto EPR si trovano nello stesso stato quantico. Il fotone C, selezionato per essere teletrasportato, viene misurato contemporaneamente ad A nella stazione trasmittente. Questa misura dà l'informazione di come trasformare B, così che esso si porti nello stesso stato quantico di C. Se la stazione trasmittente spedisce le necessarie informazioni, la stazione ricevente sarà in grado di trasformare B in una copia precisa di C.

Questo processo non viola il Principio di Indeterminazione di Heisenberg, poiché non viene misurato l'esatto stato quantico di C, ma piuttosto quanto C differisce da A.

In questo processo non si ha il trasporto materiale dei fotoni utilizzati, ed inoltre durante la misura con A la particella C viene distrutta, perciò non è più possibile farne delle copie.

Attualmente questo è lo stato dell'arte sul Teletrasporto, quindi siamo ben lontani da quanto avviene normalmente" in ogni puntata di Star Trek.

Però così come Gene Roddenberry, il geniale ideatore di Star Trek, ha immaginato che un uomo dicesse: "Signor Scott, mi faccia risalire!", scomparendo e ricomparendo in un altro posto, distante migliaia di chilometri quasi istantaneamente, verrà un giorno in cui l'uomo lo farà realmente! Ne sono sicuro...

Giovanni Zavarelli