Comunicazione quantistica fra satelliti a prova di hacker

dal sito: lescienze.it

 

A causa delle modalità di codifica dell'informazione nei qubit, finora la comunicazione quantistica - che può garantire la trasmissione di messaggi cifrati inviolabili - poteva essere realizzata solo fra utenti fissi. Sfruttando stati quantistici "ibridi", un gruppo italiano è riuscito a mettere a punto un dispositivo di codifica che permette di trasmettere questo tipo di messaggi anche fra utenti in movimento, e in particolare fra satellti   

(red)

Negli ultimi anni sono stati fatti notevoli progressi nello sviluppo delle tecniche di comunicazione quantistica, di grande interesse perché dovrebbe offrire sistemi di codifica delle informazioni impossibili da decrittare. Finora tuttavia, a causa delle modalità di codifica dell’informazione di questo tipo di comunicazione, non si sapeva come realizzarla quando gli utenti coinvolti non si trovano in postazioni fisse, ma sono in movimento.

Un passo importante per risolvere il problema è ora venuto da un gruppo di ricercatori dell’Università Sapienza di Roma e dell’Università Federico II di Napoli, con la collaborazione di ricercatori dell'Istituto di scienze fotoniche del Parco tecnologico di Barcellona e dell'Università federale di Rio de Janeiro,  che illustrano i risultati del loro studio in un articolo a prima firma Vincenzo D’Ambrosio, pubblicato online su ””Nature Communications”.

L’approccio standard alla comunicazione quantistica prevede infatti che la codifica dei qubit (i bit quantistici) avvenga sfruttando la polarizzazione di fotoni; la rilevazione della corretta polarizzazione richiede però che tutti gli utenti interessati abbiano un sistema di riferimento comune rispetto al quale valutare la polarizzazione stessa.

Se trasmittente e ricevente sono in rotazione una rispetto all'altra, non è possibile sfruttare la semplice polarizzazione dei fotoni per codificare i qubit (Cortesia Vincenzo D’Ambrosio et al.)

Questo può rappresentare un notevole ostacolo nelle situazioni in cui il numero di utenti è molto elevato o, ancor peggio, quando sono distanti tra loro e in moto relativo uno rispetto all’altro, per esempio quando la comunicazione avviene fra due satelliti in orbita, il cui stato di allineamento può variare nel tempo.

Nel nuovo studio, i ricercatori, coordinati da Fabio Sciarrino, sono riusciti a superare questa difficoltà mettendo a punto un sistema che permette una codifica e decodifica efficiente di informazione quantistica in stati di singoli fotoni, in modo che tali stati siano invarianti rispetto a rotazioni arbitrarie intorno all'asse ottico.

I ricercatori sono riusciti a ottenere questi stati utilizzando per la codifica non solo la polarizzazione, ma anche il momento angolare orbitale della luce. In questo modo, scrivono i ricercatori, “tutte le preoccupazioni relative all'asse di orientamento durante la trasmissione quantistica si riducono al semplice requisito fondamentale di stabilire un collegamento ottico”.

Una serie di test sperimentali di laboratorio ha dimostrato che il dispositivo dà risultati conformi alle previsioni teoriche e che il metodo funziona anche quando i due utenti sono in rotazione uno rispetto all’altro.

Al momento i ricercatori stanno sviluppando la tecnica e il dispositivo in vista di un loro utilizzo tecnologico e stanno verificando la possibilità di procedere a un test di comunicazione fra satelliti.

Computer quantistici, pronti gli algoritmi

Uno studio dimostra come si possono affrontare alcuni problemi della teoria quantistica dei campi, che descrivono le interazioni tra le particelle elementari, grazie ad algoritmi che funzionano su qubit, ovvero sugli analoghi quantistici dei bit, le unità d'informazione binaria della teoria classica (red)

Quali problemi potrebbero essere risolti dai computer quantistici in modo più efficiente rispetto a quelli classici? È una domanda cruciale per il futuro della computer science. Una risposta parziale viene ora da un articolo pubblicato sulla rivista “Science” a firma di Stephen Jordan dell'Applied and Computational Mathematics Division del National Institute of Standards and Technology di Gaithersburg, nel Maryland, in cui viene descritto un efficiente algoritmo quantistico in grado di risolvere le equazioni della teoria quantistica dei campi (quantum field theory, QFT).

A chi ha un po’ di familiarità con la teoria classica dell’informazione, è noto che c'è una ben definita classificazione dei problemi che possono o non possono essere risolti in modo efficiente. I cosiddetti problemi di classe P sono quelli in cui il tempo di calcolo e le risorse necessarie per effettuare i calcoli aumentano polinominalmente con la dimensione del problema. Si dicono invece di classe NP quei problemi in cui, data una possibile soluzione, esiste solo un algoritmo polinomiale in grado di verificare se questa è effettivamente soluzione del problema, ma non un algoritmo efficiente che la calcoli.

Nel caso dei computer quantistici, l’analogo della classe P è denominato BQP, e comprende quei problemi che possono essere risolti in modo efficiente con un errore limitato. In modo simile, gli analoghi dei problemi NP sono denominati Merlin-Arthur quantistici (QMA). Per questi, la correttezza della soluzione può essere verificata (sebbene non calcolata) con computer quantistici.

Già nel 1982, Richard Feynman suggerì che le proprietà dei sistemi quantistici a molti corpi potessero essere calcolate con computer quantistici. Questi ultimi farebbero la differenza, in particolare nel cosiddetto limite di accoppiamento forte, in cui molte delle equazioni della QFT non possono essere risolte con i metodi convenzionali.

Per la transizione ai computer quantistici occorre, oltre una capacità di realizzarli praticamente, anche una teoria del calcolo basata su qubit – i bit d'informazione quantistica – invece che sui tradizionali bit, le unità d'informazione binaria della teoria classica. In questo senso, il lavoro di Jordan fornisce un contributo decisivo grazie a tre risultati. Il primo è la dimostrazione di come i campi continui possano essere rappresentati accuratamente da un numero finito di qubit le cui coordinate costituiscono un reticolo. La rilevanza di questo risultato è legata al fatto che nella QFT è contemplato un numero infinito di grandezze che vengono trattate convenzionalmente con i metodi noti come rinormalizzazione e regolarizzazione, che nel metodo di Jordan compaiono in modo naturale.

Tracce delle interazioni tra particelle elementari in una camera a bolle: in futuro potranno essere simulate con i computer quantistici (© Kevin Fleming/CORBIS)

Il secondo risultato è l'efficace rappresentazione della preparazione dello stato iniziale delle particelle che rappresentano il sistema studiato, che di solito costituisce un collo di bottiglia per un'implementazione e una simulazione efficiente.

Il terzo infine riguarda l'evoluzione temporale del sistema che viene rappresentata con lo stato dell'insieme delle porte quantistiche (l'analogo quantistico delle porte logiche classiche), grazie a una procedura che funziona bene per teorie locali, cioè teorie discretizzate su uno spazio-tempo finito.

Quantum physic mimics spooky action into the past - Quantum fisico imita azione spettrale nel passato

dal sito: www.quantumactivist.com


Physicists of the group of Prof. Anton Zeilinger at the Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), the University of Vienna, and the Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) have, for the first time, demonstrated in an experiment that the decision whether two particles were in an entangled or in a separable quantum state can be made even after these particles have been measured and may no longer exist. Their results will be published this week in the journal “Nature Physics“.

Entangled States

According to the Austrian physicist Erwin Schrödinger, entanglement is the characteristic trait of quantum mechanics. In addition to its crucial role for the foundations of physics, entanglement is also a key resource for upcoming quantum information technologies such as quantum cryptography and quantum computation. Entangled particles exhibit correlations which are stronger and more intricate than those allowed by the laws of classical physics. If two particles are in an entangled quantum state, they have perfectly defined joint properties at the expense of losing their individual properties. This is like having two dice which have no orientation until they are subject to measurement, upon which they certainly show the same (random) side up. In contrast, so-called separable quantum states allow for a classical description, because every particle has well-defined properties on its own. Two dice, each one of them with its own well-defined orientation, are in a separable state. Now, one would think that at least the nature of the quantum state must be an objective fact of reality. Either the dice are entangled or not. Zeilinger’s team has now demonstrated in an experiment that this is not always the case.

Exciting realization of a “Gedankenexperiment”

The authors experimentally realized a “Gedankenexperiment” called “delayed-choice entanglement swapping”, formulated by Asher Peres in the year 2000. Two pairs of entangled photons are produced, and one photon from each pair is sent to a party called Victor. Of the two remaining photons, one photon is sent to the party Alice and one is sent to the party Bob. Victor can now choose between two kinds of measurements. If he decides to measure his two photons in a way such that they are forced to be in an entangled state, then also Alice’s and Bob’s photon pair becomes entangled. If Victor chooses to measure his particles individually, Alice’s and Bob’s photon pair ends up in a separable state. Modern quantum optics technology allowed the team to delay Victor’s choice and measurement with respect to the measurements which Alice and Bob perform on their photons. “We found that whether Alice’s and Bob’s photons are entangled and show quantum correlations or are separable and show classical correlations can be decided after they have been measured”, explains Xiao-song Ma, lead author of the study.
According to the famous words of Albert Einstein, the effects of quantum entanglement appear as “spooky action at a distance”. The recent experiment has gone one remarkable step further. “Within a naïve classical word view, quantum mechanics can even mimic an influence of future actions on past events“, says Anton Zeilinger.
Publication in “Nature Physics“:

-----

 I fisici del gruppo del Prof. Anton Zeilinger presso l'Istituto di Ottica quantistica e Quantum Information (IQOQI), l'Università di Vienna, Vienna e il Centro per Quantum Science and Technology (VCQ) hanno, per la prima volta, ha dimostrato in un esperimento che la decisione se due particelle erano in uno o impigliato in uno stato quantico separabile può essere fatta anche dopo queste particelle sono state misurate e non può più esistere. I loro risultati saranno pubblicati questa settimana sulla rivista "Nature Physics".Stati entangled
Secondo il fisico austriaco Erwin Schrödinger, entanglement è il tratto caratteristico della meccanica quantistica. In aggiunta al suo ruolo fondamentale per i fondamenti della fisica, entanglement è anche una risorsa fondamentale per le prossime tecnologie dell'informazione quantistica, come la crittografia quantistica e computazione quantistica. Particelle correlate mostrano correlazioni che sono più forti e più complessa rispetto a quelli consentiti dalle leggi della fisica classica. Se due particelle sono in uno stato di entanglement quantistico, sono perfettamente definita proprietà comuni a scapito di perdere le loro proprietà individuali. Questo è come avere due dadi che non hanno orientamento finché sono oggetto di misurazione, su cui certamente mostrano la stessa (casuale) verso l'alto. Al contrario, i cosiddetti separabile stati quantici consentire una descrizione classica, perché ogni particella ha proprietà ben definite sulla sua propria. Due dadi, ognuno dei quali con un proprio ben definito orientamento, sono in uno stato separabile. Ora, si potrebbe pensare che almeno la natura dello stato quantico deve essere un fatto oggettivo della realtà. Sia i dadi sono impigliati o meno. Squadra Zeilinger ha ora dimostrato in un esperimento che questo non è sempre il caso.Eccitante la realizzazione di un "Gedankenexperiment"
Gli autori hanno realizzato sperimentalmente un "Gedankenexperiment" chiamata "scelta ritardata entanglement swapping", formulata da Asher Peres nel 2000. Due coppie di fotoni vengono prodotti, e un fotone di ciascuna coppia viene inviato ad una parte chiamata Victor. Dei restanti due fotoni, un fotone viene inviato al Alice parte e uno viene inviato al Bob partito. Victor possono ora scegliere tra due tipi di misurazioni. Se decide di misurare i suoi due fotoni in modo tale che essi sono costretti a essere in uno stato entangled, poi anche Alice e una coppia di fotoni entangled Bob diventa. Se Victor sceglie di misurare le particelle singolarmente, Alice e una coppia di fotoni di Bob finisce in uno stato separabile. Ottica quantistica moderna tecnologia ha permesso al team di ritardare la scelta di Victor e di misura per quanto riguarda le misure che Alice e Bob eseguire su di loro fotoni. "Abbiamo scoperto che se Alice e Bob sono fotoni entangled e mostrano correlazioni quantistiche o sono separabili e mostrano correlazioni classiche può essere decisa dopo che sono stati misurati", spiega Xiao-song Ma, autore principale dello studio.
Secondo le famose parole di Albert Einstein, gli effetti di entanglement quantistico appaiono come "azione spettrale a distanza". L'esperimento recente ha fatto un notevole passo ulteriore. "All'interno di una visione ingenua parola classica, meccanica quantistica può anche simulare una influenza di azioni future sugli eventi passati", dice Anton Zeilinger.
Pubblicazione in "Nature Physics":