Creare stati quantistici complessi e altamente entangled non richiede per forza apparecchiature sofisticate o sistemi sperimentali costosissimi. Almeno, non secondo quanto proposto da un gruppo di ricercatori della University of Chicago, che ha trovato un modo quasi disarmante nella sua semplicità per generare e controllare un’ampia gamma di stati entangled, partendo da strumenti già disponibili in moltissimi laboratori di fisica quantistica. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Physical Review X, potrebbe segnare una svolta concreta nel campo del quantum sensing e aprire strade nuove per l’esplorazione della fisica fondamentale.

Il punto di partenza è un sistema noto come cavity QED (elettrodinamica quantistica in cavità). In pratica, degli atomi vengono posizionati all’interno di una cavità ottica formata da due specchi che intrappolano la luce. Gli atomi interagiscono con questa luce confinata. Il problema classico di questi sistemi? Tutti gli atomi “parlano” con la luce esattamente allo stesso modo, il che limita parecchio la varietà di stati quantistici ottenibili. Troppa simmetria, per dirla con le parole di Aashish Clerk, professore di ingegneria molecolare e autore senior dello studio.

La soluzione trovata dal team è elegante: mentre tutti gli atomi continuano a essere pilotati dallo stesso laser, vengono utilizzati laser aggiuntivi o campi magnetici per modificare i livelli energetici degli stati eccitati di gruppi diversi di atomi. Ogni atomo viene accoppiato con un altro che presenta uno spostamento energetico uguale ma opposto. Questa modifica apparentemente banale rompe la simmetria del sistema senza comprometterne la controllabilità. Cambiando quali atomi ricevono determinati spostamenti energetici, si possono produrre stati entangled diversi senza toccare l’hardware fisico. Come ha spiegato Anjun Chu, primo autore dello studio: basta accendere i laser, aspettare che il sistema si stabilizzi, e ci si ritrova con stati quantistici che nessuno aveva mai pensato di poter ottenere in quel modo.

Sensori quantistici più robusti e applicazioni oltre il sensing

Una delle applicazioni più promettenti riguarda il quantum sensing. Gli stati quantistici entangled possono, in teoria, rilevare differenze infinitesimali nei campi magnetici o gravitazionali tra posizioni distinte. Il guaio è che sviluppare stati che siano contemporaneamente sensibilissimi e resistenti al rumore è sempre stato un rompicapo. Il sistema proposto dai ricercatori di Chicago risolve questo dilemma in modo quasi controintuitivo: due gruppi di atomi, posizionati in luoghi diversi, generano uno stato quantistico che riflette la differenza tra i campi locali e allo stesso tempo rigetta automaticamente il rumore di fondo comune a entrambe le posizioni. Si ottiene insomma un sensore estremamente preciso ma anche sorprendentemente resiliente al rumore, due qualità che normalmente non vanno d’accordo quando si parla di entanglement.

C’è di più. Lo stesso approccio è in grado di generare stati quantistici che affascinano i fisici da decenni. Un esempio è lo stato AKLT, uno stato entangled a molti corpi introdotto negli anni Ottanta per descrivere materiali magnetici insoliti. Il team ha dimostrato che il proprio setup relativamente semplice può stabilizzare anche questo stato, con possibili ricadute sia nello studio di sistemi magnetici complessi sia nel campo del calcolo quantistico.

Per ora il lavoro resta su un piano teorico, ma i ricercatori stanno già discutendo test sperimentali con altri gruppi. Stanno anche esplorando configurazioni più sofisticate per disporre gli atomi all’interno del sistema e mappare l’intera gamma di stati quantistici producibili. La ricerca è stata sostenuta da Q-NEXT, centro nazionale per la scienza dell’informazione quantistica del Dipartimento dell’Energia statunitense. Il messaggio che arriva da questo studio è piuttosto chiaro: anche prima di raggiungere il sogno di un computer quantistico universale, esistono già modi per sfruttare stati quantistici e fare cose impossibili nel mondo classico. E a volte, la chiave sta proprio nella semplicità.

L'articolo Stati quantistici complessi con un trucco semplice: la scoperta proviene da Tecnoapple.

Il quantum computing potrebbe aver trovato la sua svolta più concreta. Un gruppo di ricercatori della Stanford University ha sviluppato un dispositivo nanometrico che riesce a collegare le proprietà quantistiche di luce ed elettroni senza bisogno di raffreddamento estremo. E questo, per chi segue il settore, è una notizia enorme.

Perché il problema principale dei computer quantistici attuali è proprio quello: per funzionare, hanno bisogno di temperature vicine allo zero assoluto. Parliamo di circa meno 273 gradi Celsius. Un requisito che rende queste macchine costosissime, ingombranti e sostanzialmente inaccessibili al di fuori di pochi laboratori nel mondo. Il dispositivo sviluppato a Stanford, invece, opera a temperatura ambiente. E lo fa sfruttando quella che i ricercatori chiamano “luce attorcigliata”.

Il meccanismo si basa su uno strato sottilissimo di diseleniuro di molibdeno (MoSe2) combinato con un substrato di silicio modellato a scala nanometrica. Le nanostrutture in silicio generano fotoni che ruotano su sé stessi, un po’ come un cavatappi. Questi fotoni “ritorti” riescono a trasferire il proprio spin agli elettroni, creando quel legame quantistico noto come entanglement, che è alla base di qualsiasi sistema di comunicazione e calcolo quantistico.

Perché conta davvero per il futuro della tecnologia quantistica

Jennifer Dionne, professoressa di scienza dei materiali a Stanford e autrice senior dello studio pubblicato su Nature Communications, spiega che il materiale usato non è una novità in sé. La vera innovazione sta nel modo in cui viene impiegato. Il diseleniuro di molibdeno appartiene a una famiglia di materiali chiamati dicalcogenuri dei metalli di transizione, apprezzati per le loro proprietà ottiche e quantistiche particolari. Il problema, fino a oggi, era che gli elettroni perdevano il proprio spin troppo rapidamente per essere utili.

La soluzione trovata dal team è elegante nella sua semplicità concettuale: le nanostrutture in silicio manipolano i fotoni con una precisione tale da farli ruotare in una direzione specifica, verso l’alto o verso il basso. Feng Pan, primo autore dello studio, racconta che è proprio questa combinazione tra chip in silicio e materiale a confinare e amplificare la torsione della luce, stabilizzando lo stato quantistico necessario per la comunicazione quantistica.

Il risultato è un dispositivo compatto, relativamente economico e soprattutto funzionante senza i sistemi di raffreddamento criogenico che rappresentano oggi uno degli ostacoli maggiori alla diffusione del quantum computing. Le applicazioni potenziali spaziano dalle comunicazioni sicure ai sensori avanzati, fino all’intelligenza artificiale e al calcolo ad alte prestazioni.

Verso reti quantistiche integrate nella vita quotidiana

Il team sta già lavorando per migliorare ulteriormente il dispositivo, esplorando altri materiali della stessa famiglia e combinazioni che potrebbero garantire prestazioni ancora superiori. L’obiettivo a lungo termine è ambizioso: integrare componenti come questo all’interno di reti quantistiche più ampie e, un giorno, persino nell’elettronica di consumo.

Certo, la strada è ancora lunga. Pan stesso ammette, con un sorriso, che l’idea di fare quantum computing dentro uno smartphone è un progetto da almeno dieci anni. Ma il fatto che un dispositivo del genere funzioni già oggi, a temperatura ambiente, su un chip grande quanto la lunghezza d’onda della luce visibile, dice molto sulla direzione che sta prendendo la ricerca. Non si tratta più solo di teoria o di esperimenti confinati in laboratori ultrafreddi. La tecnologia quantistica sta iniziando a diventare qualcosa di tangibile, più accessibile e, soprattutto, più vicina alla realtà di tutti i giorni.

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Una scoperta nel campo della computazione quantistica potrebbe cambiare radicalmente le regole del gioco. Un team di scienziati giapponesi, delle università di Kyoto e Hiroshima, è riuscito a risolvere un problema che resisteva da oltre due decenni: la misurazione diretta dei cosiddetti stati W, una forma particolarmente sfuggente di entanglement tra fotoni. E le implicazioni per il teletrasporto quantistico, le reti di comunicazione e i computer del futuro sono enormi.

Per capire perché questa notizia conta davvero, bisogna fare un passo indietro. L’entanglement quantistico è quel fenomeno bizzarro per cui due o più particelle risultano legate in modo così profondo che non possono essere descritte separatamente. È un concetto che faceva impazzire persino Einstein, eppure oggi rappresenta il cuore pulsante di quasi tutte le tecnologie quantistiche su cui la comunità scientifica sta investendo.

Il punto è che creare stati entangled non basta. Serve anche saperli leggere, identificare con precisione. Fino ad oggi, per un tipo specifico di entanglement (lo stato GHZ) esisteva già un metodo di misurazione efficace. Ma per gli stati W, niente. Nessuno era mai riuscito nemmeno a proporre un protocollo funzionante, figurarsi a dimostrarlo in laboratorio.

Come funziona la nuova misurazione e perché è così importante

Il gruppo guidato da Shigeki Takeuchi ha sfruttato una proprietà matematica degli stati W chiamata simmetria ciclica di spostamento. Partendo da lì, hanno progettato un circuito quantistico fotonico capace di eseguire una trasformazione di Fourier quantistica sugli stati W, indipendentemente dal numero di fotoni coinvolti. In parole più semplici: hanno trovato il modo di trasformare la struttura nascosta di questi stati in un segnale misurabile.

La dimostrazione sperimentale è avvenuta con tre fotoni, utilizzando circuiti ottici estremamente stabili. E qui c’è un dettaglio che non va sottovalutato: il dispositivo ha funzionato per periodi prolungati senza bisogno di aggiustamenti continui. Per chi lavora nel settore, questa stabilità è oro. Le tecnologie quantistiche del futuro non possono dipendere da apparecchiature fragili che richiedono calibrazione costante.

Cosa significa tutto questo per il futuro

Le ricadute pratiche sono molteplici. Questa capacità di leggere gli stati W apre la strada a protocolli più avanzati di comunicazione quantistica, al trasferimento di stati entangled tra più fotoni e a nuovi approcci alla computazione basata su misurazioni. Il teletrasporto quantistico, che consiste nel trasferire informazione quantistica (non materia, attenzione) da un punto all’altro, potrebbe beneficiarne in modo significativo.

Nel frattempo, il campo non sta fermo. Nel 2026 altri gruppi di ricerca hanno testato reti quantistiche a tre nodi su fibre ottiche già esistenti a New York, mentre chip fotonici integrati capaci di generare e misurare entanglement complesso su un singolo dispositivo sono diventati realtà. Tutti progressi che confermano quanto sia cruciale padroneggiare la misurazione di stati entangled complessi.

Il team giapponese ora punta a estendere il metodo a sistemi con più fotoni e a sviluppare circuiti fotonici su chip. Se ci riusciranno, la lettura di stati quantistici complessi diventerà più veloce, compatta e praticabile. Per un settore che sta cercando di uscire dai laboratori ed entrare nel mondo reale, sarebbe un passaggio tutt’altro che banale.

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L’entanglement quantistico potrebbe sembrare roba da laboratorio, qualcosa di astratto che riguarda solo i fisici teorici. E invece no. Un gruppo di ricercatori sta lavorando a un’idea che suona quasi fantascientifica: usare le proprietà dell’entanglement per dimostrare che una persona si trova davvero nel posto in cui dice di essere. Niente GPS falsificabili, niente documenti contraffatti. Solo le leggi della meccanica quantistica, che per loro natura non si possono imbrogliare.

Il principio di fondo è tanto elegante quanto controintuitivo. Quando due particelle vengono “intrecciate” tramite entanglement, condividono una connessione istantanea indipendentemente dalla distanza che le separa. Misurando lo stato di una particella, si ottiene immediatamente un’informazione corrispondente sull’altra. Questa correlazione non può essere simulata, copiata o falsificata. Ed è proprio questa caratteristica a renderla perfetta per un sistema di verifica della posizione a prova di frode.

Come funziona nella pratica la verifica quantistica

Il meccanismo proposto si basa su un protocollo abbastanza ingegnoso. A una persona viene inviata una particella entangled. Contemporaneamente, da più stazioni di controllo vengono trasmesse domande sotto forma di segnali classici. Chi riceve la particella deve rispondere entro un intervallo di tempo strettissimo, compatibile solo con la velocità della luce dalla posizione dichiarata. Se qualcuno tentasse di rispondere da un luogo diverso, i tempi non tornerebbero. Punto.

La bellezza di questo approccio sta nel fatto che sfrutta due vincoli fisici fondamentali: l’impossibilità di clonare uno stato quantistico (il famoso teorema di no cloning) e il limite imposto dalla velocità della luce alla trasmissione delle informazioni. Insieme, questi due paletti creano una gabbia da cui nessun impostore può uscire.

Le sfide e le prospettive reali

Ovviamente non è tutto semplice. Le tecnologie quantistiche necessarie per implementare un sistema del genere su larga scala sono ancora in fase di sviluppo. Mantenere l’entanglement stabile su grandi distanze resta una sfida enorme, e le infrastrutture attuali non sono pronte. Ma i progressi nel campo delle reti quantistiche e della distribuzione di particelle entangled stanno accelerando, soprattutto in Europa e in Asia orientale.

Quello che rende questa ricerca davvero interessante è il campo di applicazione potenziale. Si pensi alla sicurezza militare, alle transazioni finanziarie ad alto rischio, o anche semplicemente alla protezione dell’identità digitale in un mondo dove lo spoofing della posizione è diventato banale. Oggi chiunque con un po’ di competenza tecnica può far credere al proprio smartphone di trovarsi dall’altra parte del pianeta. Con un sistema basato sull’entanglement quantistico, questo trucco non funzionerebbe più.

La strada è ancora lunga, certo. Ma il fatto che la fisica fondamentale offra una soluzione così radicale a un problema così concreto è qualcosa che vale la pena tenere d’occhio. Perché quando la teoria quantistica esce dai libri di testo e inizia a risolvere problemi reali, le cose si fanno davvero interessanti.

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La luce quantistica nascondeva un segreto che nessuno aveva notato, nonostante fosse lì da sempre, sotto gli occhi di tutti. Un gruppo di ricercatori della University of the Witwatersrand, in Sudafrica, insieme a colleghi della Huzhou University, ha scoperto che i fotoni entangled prodotti con una delle tecniche più comuni nei laboratori di ottica quantistica contengono strutture topologiche nascoste che raggiungono fino a 48 dimensioni. Non due, non dieci. Quarantotto. Con oltre 17.000 firme topologiche distinte, che aprono le porte a un nuovo vastissimo “alfabeto” per codificare informazioni quantistiche in modo stabile.

La cosa più sorprendente? Tutto questo era già presente nei laboratori di mezzo mondo. Bastava sapere dove guardare.

La tecnica in questione si chiama conversione parametrica spontanea (SPDC), ed è il metodo standard per generare coppie di fotoni entangled sfruttando le proprietà spaziali della luce. Quello che il team ha scoperto è che dentro questa struttura spaziale si cela un universo di topologie ad alta dimensionalità, capaci potenzialmente di rendere i sistemi quantistici molto più resistenti al rumore e alle interferenze.

Una sola proprietà della luce basta a creare topologia

I risultati, pubblicati su Nature Communications, ribaltano un assunto che sembrava consolidato. Fino a oggi si riteneva che per ottenere una topologia servissero almeno due proprietà della luce, tipicamente il momento angolare orbitale (OAM) e la polarizzazione. Il professor Andrew Forbes, della Wits School of Physics, ha spiegato che il loro lavoro dimostra il contrario: basta il solo OAM. E siccome l’OAM può assumere un numero potenzialmente illimitato di valori, anche la topologia associata scala verso dimensioni altissime. È così che il team ha raggiunto il record delle topologie più alte mai osservate nella luce quantistica.

C’è un dettaglio che rende tutto ancora più affascinante. Quando la topologia supera le due dimensioni, non può più essere descritta da un singolo numero. Serve un intero spettro di valori topologici, segno di una complessità strutturale che va ben oltre quanto ci si aspettava dai sistemi ottici tradizionali.

Pedro Ornelas, tra gli autori dello studio, ha riassunto la questione con una frase che vale più di mille equazioni: la topologia arriva gratis, dall’entanglement nello spazio. Era sempre stata lì, semplicemente andava trovata.

Dalla teoria astratta alle applicazioni pratiche

Trovare queste strutture non è stato banale. Il professor Robert de Mello Koch della Huzhou University ha raccontato che in alte dimensioni non è affatto ovvio capire dove cercare la topologia. Il team ha utilizzato concetti astratti dalla teoria quantistica dei campi per prevedere dove e cosa cercare, e poi ha confermato tutto sperimentalmente.

Il punto cruciale è questo: l’entanglement basato sul momento angolare orbitale è sempre stato considerato fragile, difficile da sfruttare in contesti reali. Ma osservarlo attraverso la lente della topologia cambia radicalmente la prospettiva. Queste strutture appena scoperte potrebbero fornire una protezione intrinseca alle informazioni codificate, aprendo la strada a tecnologie quantistiche più robuste e affidabili.

E non servono apparecchiature speciali. Le risorse necessarie esistono già nella maggior parte dei laboratori di ottica quantistica sparsi per il mondo. Questo significa che la scoperta non resta confinata alla teoria, ma potrebbe tradursi rapidamente in applicazioni concrete, dalla comunicazione quantistica sicura alla computazione di nuova generazione. Un tesoro nascosto a 48 dimensioni, che aspettava solo qualcuno abbastanza curioso da andarlo a scovare.

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