Fisica - Libretto per gli studenti 2012-2013 - Dip. Fisica - Sapienza

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Le ricerche in fisica alla Sapienza
Informazione quantistica con i fotoni
L’informazione quantistica studia come impiegare le leggi fondamentali della
fisica per migliorare la trasmissione e l’elaborazione di segnali. E’ una
scienza relativamente giovane, la cui origine risale all’inizio degli anni ’80,
grazie alla proposta di Richard Feynman di usare in modo congiunto la
teoria classica dell’informazione e le leggi della meccanica quantistica per
realizzare un computer quantistico. L’unione di queste due scienze permette
operazioni altrimenti impossibili, quali la creazione di codici crittografici
indecifrabili, il teletrasporto di una particella (come ad esempio un fotone)
e la soluzione di problemi computazionali complessi a una velocità molto
maggiore di un qualsiasi computer classico.
Per il suo carattere intrinsecamente multidisciplinare, l’informazione
quantistica abbraccia diversi campi, dalla fisica alla matematica, dalla
computazione all’ingegneria. Gli esperimenti di informazione quantistica si
avvalgono di tecniche di fisica atomica, ottica quantistica e fisica del laser,
nonché di fisica dello stato solido e dispositivi a superconduttore.
Il rapido sviluppo degli ultimi 20 anni dimostra le grandi potenzialità di
questa disciplina di rivoluzionare molte aree della scienza e della tecnologia.
In questa prospettiva è ragionevole aspettarsi che schemi sempre più
efficienti di codifica, decodifica e trasferimento dell’informazione vengano
elaborati nel prossimo futuro. Al tempo stesso, la crescente miniaturizzazione
dei circuiti logici permetterà di sviluppare nuovi metodi per il trattamento
dell’informazione basati sulla meccanica quantistica.
L’elemento fondamentale dell’informazione quantistica è il quantum bit,
(qubit) che, a differenza del bit dell’informazione classica, che può assumere
di volta in volta uno dei due valori, 0 o 1, viene espresso come la
sovrapposizione coerente di due stati quantistici antitetici. Un qubit può essere
realizzato in molti modi, ad esempio sfruttando la polarizzazione di un
fotone, oppure usando ioni intrappolati, atomi neutri interagenti con cavità
ottiche, impurezze in solidi etc.
Nel processo di emissione
parametrica spontanea un cristallo
irradiato da un laser, di lunghezza
d’onda appartenente alla regione
dell’ultravioletto, genera coppie di
fotoni entangled su tutto lo spettro del
visibile. L’immagine in figura deriva
dalla sovrapposizione di un grande
numero di eventi di emissione
di coppie di fotoni.