Fotoni che viaggiano senza muoversi: il primo teletrasporto quantistico

Ricercatori tedeschi realizzano il trasferimento di informazione quantistica tra fotoni prodotti da punti quantici separati

Quando si parla di teletrasporto quantistico, è facile immaginare scenari da fantascienza con particelle che svaniscono in un luogo per riapparire istantaneamente in un altro. La realtà fisica è diversa, ma non meno affascinante: ciò che viene trasferito è uno stato quantistico, non il fotone stesso. È come se le proprietà di una particella venissero impresse su un’altra particella distante, senza che nulla viaggi fisicamente nello spazio intermedio.

Questo processo, che sfrutta il fenomeno dell’entanglement quantistico, è al cuore dell’esperimento condotto dal gruppo di ricerca guidato da Tim Strobel e Peter Michler presso l’Università di Stoccarda, i cui risultati sono stati pubblicati su Nature Communications a novembre 2025: ccon un’efficienza superiore al 70%, aprono la strada ai ripetitori quantistici necessari per una rete internet globale ultra-sicura.

Il paradosso del teletrasporto: trasferire senza spostare

Il team dell’Università di Stoccarda ha realizzato il primo trasferimento di informazione quantistica tra fotoni prodotti da due punti quantici separati, superando quella che era considerata una delle sfide tecniche più complesse nella costruzione di reti quantistiche. Il problema di fondo è tanto semplice quanto insidioso: l’informazione quantistica non può essere copiata o amplificata, a causa del teorema di non-clonazione che è una conseguenza fondamentale della meccanica quantistica. Nelle reti internet tradizionali, quando un segnale luminoso si indebolisce viaggiando attraverso chilometri di fibra ottica, amplificatori posizionati lungo il percorso ne rafforzano l’intensità misurando il segnale, copiandolo e ritrasmettendolo. Ma misurare uno stato quantistico significa distruggerlo, quindi questa strategia non può funzionare per l’informazione quantistica.

La soluzione viene proprio dal teletrasporto quantistico. I ricercatori hanno trasferito lo stato di polarizzazione di un fotone originato da un punto quantico a un fotone prodotto da un secondo punto quantico separato. Un punto quantico genera un singolo fotone, mentre l’altro produce una coppia di fotoni entangled, cioè particelle che condividono un unico stato quantistico anche quando sono fisicamente separate. Quando uno dei fotoni della coppia entangled incontra il fotone singolo, le loro proprietà si sovrappongono attraverso un processo chiamato Bell state measurement. Questa sovrapposizione trasferisce l’informazione del fotone singolo al partner distante della coppia, che si trova dall’altra parte del collegamento in fibra ottica. L’esperimento ha raggiunto un’efficienza superiore al 70% su una distanza di circa dieci metri, utilizzando comuni cavi in fibra ottica identici a quelli delle reti internet attuali.

Punti quantici: i mattoni semiconduttori dell’internet quantistica

Per comprendere l’importanza di questo risultato, è necessario capire cosa sono i punti quantici e perché rappresentano una tecnologia così promettente. I punti quantici sono particelle semiconduttrici di dimensioni nanometriche, dell’ordine di pochi nanometri, che si comportano come atomi artificiali con livelli energetici discreti. Quando un elettrone in un punto quantico viene eccitato da uno stato energetico inferiore a uno superiore, per esempio attraverso un impulso laser, crea quella che viene chiamata un’eccitazione o eccitone. Il decadimento spontaneo di questo eccitone porta all’emissione di un fotone singolo, rendendo i punti quantici delle sorgenti ideali di fotoni individuali su richiesta.

La sfida tecnica che il team di Stoccarda ha affrontato riguarda l’indistinguibilità dei fotoni. Per trasmettere informazione quantistica attraverso il teletrasporto, i fotoni devono essere indistinguibili, cioè devono avere approssimativamente lo stesso profilo temporale e lo stesso colore. Quando i fotoni provengono dalla stessa sorgente, questa condizione può essere soddisfatta relativamente facilmente. Ma quando provengono da sorgenti diverse, posizionate in luoghi separati, le sottili differenze nelle loro proprietà diventano un ostacolo insormontabile. Tim Strobel, primo autore dello studio, ha spiegato che i punti quantici sviluppati hanno livelli energetici fissi simili a quelli di un atomo, permettendo di generare fotoni singoli con proprietà ben definite su richiesta.

La collaborazione tra diversi istituti tedeschi è stata cruciale per il successo. I partner dell’Istituto Leibniz per la Ricerca sui Materiali e lo Stato Solido di Dresda hanno sviluppato punti quantici che differiscono solo minimamente, riducendo le variazioni nelle caratteristiche dei fotoni emessi. Inoltre, il gruppo di ricerca dell’Università del Saarland guidato dal professor Christoph Becher ha contribuito con convertitori di frequenza quantistica, dispositivi che compensano le residue differenze di frequenza tra i fotoni provenienti dai due punti quantici. Questi convertitori sono stati determinanti per rendere i fotoni sufficientemente indistinguibili da permettere il teletrasporto dello stato quantistico.

Ripetitori quantistici: l’architettura dell’internet del futuro

Il risultato ottenuto a Stoccarda non è semplicemente una dimostrazione di laboratorio, ma rappresenta un componente essenziale per quella che viene chiamata l’internet quantistica. I ripetitori quantistici funzionano in modo concettualmente simile ai ripetitori classici con amplificatori, suddividendo la distanza di trasmissione in segmenti dove la perdita non è così grande. Ma invece di amplificare il segnale, i ripetitori quantistici utilizzano memorie quantistiche per immagazzinare temporaneamente i fotoni senza misurarli, mantenendo intatto il loro stato quantistico.

Il processo funziona attraverso quella che viene chiamata entanglement swapping, o scambio di entanglement. Un ripetitore quantistico contiene due memorie quantistiche che possono catturare fotoni e immagazzinare i loro qubit senza misurarli. Una volta che il ripetitore ha catturato e memorizzato un fotone da entrambi i lati del collegamento, esegue una misura di parità quantistica sui qubit immagazzinati. Questa misurazione congiunta permette di conoscere la parità dei due qubit rimanenti senza aver appreso la direzione in cui erano orientati individualmente, trasferendo così l’entanglement alle estremità dei collegamenti senza che un singolo fotone debba percorrere l’intera distanza.

L’importanza pratica di questa architettura è considerevole. Il team di Stoccarda aveva già dimostrato in lavori precedenti che l’entanglement dei fotoni da punti quantici rimane intatto anche dopo una trasmissione di 36 chilometri attraverso il centro della città di Stoccarda. Ora, con la capacità di effettuare il teletrasporto tra sorgenti separate, diventa possibile concatenare questi collegamenti per coprire distanze arbitrariamente lunghe.

La rete quantistica cinese, già operativa, utilizza ripetitori fidati che effettivamente misurano e ritrasmettono l’informazione, richiedendo quindi fiducia nei nodi intermedi. I ripetitori quantistici basati sul teletrasporto, invece, non necessitano di essere fidati: anche se un avversario tentasse di ottenere informazioni intercettando al livello del ripetitore, gli utenti alle estremità rileverebbero cambiamenti nei loro risultati di misura, rivelando l’intrusione.

Le applicazioni immediate

Le applicazioni immediate riguardano principalmente la crittografia, dove la distribuzione di chiavi crittografiche può avvenire con una sicurezza garantita dalle leggi della fisica piuttosto che dalla complessità computazionale. Ma le prospettive a lungo termine sono ancora più ambiziose: computazione distribuita, dove processori quantistici remoti possono essere collegati per risolvere problemi che nessuna singola macchina potrebbe affrontare; sistemi di imaging quantistico ad altissima risoluzione; sincronizzazione di orologi atomici con precisione senza precedenti per esperimenti di fisica fondamentale e navigazione.

Il progetto fa parte dell’iniziativa “Quantenrepeater.Net” finanziata dal Ministero Federale Tedesco per la Ricerca, Tecnologia e Spazio, un consorzio che riunisce 42 partner tra istituzioni di ricerca, università e industria per sviluppare e testare la tecnologia dei ripetitori quantistici nelle reti in fibra ottica.

L’aspetto forse più incoraggiante dell’esperimento è che utilizza infrastrutture standard. Gli esperimenti condotti dai ricercatori hanno utilizzato un cavo in fibra ottica standard come quelli usati nelle reti online odierne, suggerendo che l’internet quantistica del futuro potrebbe in parte appoggiarsi alle infrastrutture già esistenti, accelerando significativamente i tempi di implementazione. Mentre la Cina ha già realizzato collegamenti quantistici satellitari su distanze di oltre mille chilometri, e l’Europa sta costruendo la propria rete quantistica terrestre, questo esperimento tedesco fornisce un tassello tecnologico essenziale: la capacità di costruire nodi di rete quantistici indipendenti che possono essere collegati in modo affidabile e sicuro, aprendo la strada a un’architettura di rete veramente scalabile e globale.