L'entanglement va nello spazio

A. Bettini   31-01-2017    Leggi in PDF

L'entanglement va nello spazio

Il 6 ottobre 2016, Micius passava e veniva calibrato sulla stazione del Chinese National Observatory ad Ali nel Tibet. La calibrazione avviene inviando luce rossa da terra, a cui il satellite risponde con luce verde. L'esposizione è di 200 s. / On 6 October 2016, Micius passed by and calibrated with the Ali ground station of the Chinese National Observatory in Tibet. Red calibration beams are sent from ground to the satellite that responds with green light. The exposure was 200 s. (Photo Credit: Chinese National Astronomy/Xinhua)

"Micius", il primo satellite dedicato alle telecomunicazioni quantistiche, dopo alcuni mesi di test in orbita, è ora ufficialmente operativo, come annunciato il 21 gennaio scorso dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS), aggiungendo che il sistema funziona "molto meglio" di quanto inizialmente atteso.

Il satellite è stato lanciato dalla Jiuquan Satellite Launch Center nel deserto dei Gobi il 16 agosto 2016. Con la scelta del nome Micius, latinizzazione di Mo-Zi, l'Accademia ha voluto ricordare il filosofo e scienziato cinese del 5˚ secolo a.C. che diede diversi contributi scientifici in meccanica e in ottica (camera oscura). La missione fa parte dello Strategic Priority Program on Space Science, per missioni di ricerca di base, che il Governo Cinese ha approvato nel 2011, finanziando la CAS e assegnandole anche la responsabilità diretta dei lanci. Un compito del satellite è di verificare l'entanglement quantistico di due fotoni in due punti distanti 1200 km, spedendo uno dei fotoni a una stazione a Delingha, nel Tibet, e l'altro o a LiJiang nello Yunnan o a Nanshan nel Xinjiang. Anche se si tratta di un'ovvia predizione della meccanica quantistica, essa non è mai stata verificata su queste distanze.

La missione principale di Micius è quella di stabilire un canale di comunicazione a prova di hacker tra la Cina e l'Europa (su 7400 km), con due ulteriori missioni previste dopo la prima. Un messaggio di prova sarà crittato a Pechino e spedito a Vienna tramite la rete di telecomunicazioni convenzionale. La chiave sarà inviata a Micius da Pechino nella forma di una coppia di fotoni "entangled" (cioè in una sovrapposizione di stati di polarizzazione) e il satellite spedirà la chiave a Vienna per decifrare il messaggio. Le telecomunicazioni "quantistiche" sfruttano appunto stati quantistici di due fotoni "entangled", che non possono essere duplicati né separati. Questo garantirebbe un’elevatissima sicurezza perché l'informazione crittata così trasmessa non può essere né intercettata né decifrata.

Col termine "entanglement" s'intende che il sistema dei due fotoni è stato preparato in modo da essere descritto da un'unica funzione d'onda (delle coordinate di ciascuno dei due e del tempo). Lo schema logico specifico fu proposto nel 1993 da C. Bennet et al. (Bennett, C. H. et al., Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 1895). Due osservatori, chiamati convenzionalmente Alice e Bob, comunicano tra loro mettendo in comune una coppia di fotoni entangled, come preparata e distribuita da Charlie. Alice e Bob non conoscono lo stato, ma possono comunicare eseguendo congiuntamente una misura di stato di Bell sui due fotoni.

La meccanica quantistica prevede che le osservazioni di Alice e Bob siano correlate, qualsiasi siano la loro distanza e l'intervallo di tempo tra di esse (senza violare né il principio di causalità né quello di relatività). In pratica, tuttavia, non è detto che la coerenza della funzione d'onda si conservi su qualsiasi distanza a causa di effetti del mezzo (fibra o atmosfera) nel quale i fotoni si propagano (dispersione, assorbimento), del comportamento dei rivelatori, etc.

Oltre ai precedenti esperimenti con trasmissione entangled su fibra fatti da diversi gruppi, un primo esperimento di trasmissione nello spazio libero in atmosfera su una distanza di circa 100 km era stato realizzato dal gruppo di Pan (J. Yin et al., Nature   488 (2012) 185).


Scopri di più: 1, 2, 3



Entanglement goes to space

"Micius", the first satellite dedicated to quantum telecommunications, is now officially operational following months of in-orbit testing, as the Chinese Academy of Sciences (CAS) announced on the 21st of January, saying that performance of the device is “much better” than was initially expected.

The satellite had been launched from the Jiuquan Satellite Launch Center, in the Gobi desert, on 16 August 2016. With the nickname Micius, a latinization of Mo Zi, the CAS wants to recall the Chinese philosopher and scientist of the 5th century BC, who gave early scientific contributions in mechanics and in optics (pinhole camera). The mission is part of the Strategic Priority Program on Space Science, for base science missions, approved by the Chinese government in 2011, funding the CAS and giving it also the direct responsibility of the launches. A task of the satellite is testing the quantum entanglement at two points more than 1000 km apart by beaming one entangled photon to a ground station in Delingha, Tibet, and the other to a station in Lijiang in Yunnan or Nanshan in Xinjiang. Even if this is an obvious prediction of quantum mechanics, it has never been tested on such a distance.

The main task of Micius is to establish a hacker-proof communication line between China and Europe (over 7400 km), with two more subsequent missions in successions after the first. A test message will be encrypted in Beijing and sent to Vienna through the conventional telecommunications network. The key chain will then be beamed to Micius from Beijing in the form of entangled photons (a superposition of polarization states) and the satellite will send the cryptographic keys to Vienna to decipher the message. Quantum telecommunications exploit the properties of "entangled" two-photons quantum states, which can neither be separated nor duplicated. It should therefore be impossible to wiretap, intercept or crack the information transmitted through it.

With "entanglement" we mean that the two-photons system has been prepared in such a way to be described by a single wave-function (function of the coordinates of each photon and of time). The specific logic scheme was proposed by C. Bennet et al. (Bennett, C. H. et al., Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 1895). in 1993. Two observers, conventionally called Alice and Bob, communicate with each other by sharing a couple of entangled photons, prepared by a third party, called Charlie. Neither Alice nor Bob know the state, but can communicate performing a joint Bell-state measurement on the two photons.

Quantum mechanics foresees the observations of Alice and Bob to be correlated, whatever be the distance and the time interval between them (without violating the cause or relativity principles). In practice however, it is not to be taken as granted that the coherence of the wave function is conserved on every distance. It could be lost due to effects of the medium (fibre or atmosphere) in which photons propagate (dispersion, absorption), the performance of the receiver, etc. Better to test experimentally.

Beyond a number of previous experiments with entangled transmission on fibre by different groups, a first experiment of free-space transmission in atmosphere over about 100 km had been completed by the group of Pan in 2012 (J. Yin et al., Nature  488 (2012) 185).


Learn more about: 1, 2, 3

comments powered by Disqus