Verso la comunicazione dati “quantistica” per entanglement

Un “fatto quantico”, due articoli di giornale e una pazzesca idea innovativa: cellulari o router sicuri e non intercettabili a luce polarizzata

C’è un’idea molto innovativa che potrebbe rappresentare una svolta decisiva nella sicurezza dei dispositivi elettronici, soprattutto nel contrasto agli hacker e alla criminalità informatica, e che trae origine da un particolare fenomeno quantistico, chiamato “entanglement”, e da due recenti scoperte scientifiche descritte in un articolo di “Wired” e in uno di Innovando.News.
Per farlo, è necessario introdurre quattro definizione scientifiche: a) “Osservabile”, è in meccanica quantistica una grandezza fisica che può essere misurata; b) “Stato quantico o quantistico”, è la condizione di evoluzione dell’oggetto identificato ed espresso dai valori assunti da almeno 4 “Osservabili”; c) “Entanglement”, è la condizione quantistica per cui due particelle condividono due o più “Osservabili”, che possono assumere o valori identici o valori di modulo uguale, ma di segno contrario; quando la proprietà espressa da una delle “Osservabili” condivise viene alterata, anche la corrispondente “Osservabile” dell’altra viene alterata in modo da essere sempre uguale oppure complementare all’altra, e questa caratteristica riguarda quella specifica coppia di particelle e nessun’altra; d) “Topologia”, è quel ramo della scienza matematica che studia i ‘topoi’ ossia i luoghi geometrici e gli insiemi di punti che hanno in comune una certa proprietà geometrica estesa poi anche a proprietà di altra natura; nel nostro caso, essa entra nella forma dei “materiali topologici”.

Verso un neurone artificiale quantistico grazie ai fotoni

Così due particelle “entangled” trasferiscono due bit di informazione con ogni qubit

L’ entanglement, visto che ha sempre un valore fra due, è ideale per la comunicazione digitale, che tra l’altro è resa più efficiente perché il fatto che due particelle siano “entangled” consente di trasferire due bit di informazione con ogni qubit (il qubit è l’equivalente quantistico del bit).
La comunicazione per entanglement è per principio non intercettabile e non alterabile.
Nei limiti della precisione (che comunque è nell’ordine degli aptosecondi) e degli errori di misura, la comunicazione per entanglement avviene senza interposizione di tempo e non è limitata alla velocità della luce, come si vedrà in questo articolo.
In generale nel mondo scientifico e tecnologico questo tipo di comunicazione viene chiamata, con notevole imprecisione semantica e probabilmente intenzione… truffaldina, “teletrasporto quantistico”.
Le due “Osservabili” con cui è stata testata la comunicazione per implementarla sono lo spin dell’elettrone (proprietà a valore complementare che può essere pilotata con un campo magnetico e letta con una testina a induzione) e la polarizzazione del fotone (proprietà a valore identico che può essere forzata con un campo elettrico e misurata con uno strumento apposito che chiameremo “polarimetro”).

Sostegno “monstre” per la ricerca sui materiali quantistici

“Wired”, e un articolo sui rilevatori di polarizzazione nelle… ottiche per fotografare

In questo articolo, la fonte afferma che i produttori di ottiche per telefoni cellulari (ma la cosa sarebbe ovviamente estendibile a tutte le ottiche digitali….) stanno studiando metodi per incorporare dei rilevatori di polarizzazione nelle fotocamere.
Dalla foto annessa, si può dedurre che, oltre all’orizzontale e al verticale, cercheranno anche di misurare le polarizzazioni a 30, 45 e 60 gradi e quelle complementari a 90, 120, 135 e 150 gradi.
Con questo ottetto di valori, si potrebbero trasmettere dei qubyte corrispondenti ai caratteri Unicode o UTF o a numeri interi fino a 65535 nonché sequenziando opportunamente tutto quello che ora viene comunicato fra computer…

Verso computer quantistici compatti grazie alla… topologia

Innovando.News, e un articolo sui computer quantistici compatti grazie alla topologia

In un articolo apparso recentemente, si afferma che si cerca di costruire computer quantistici compatti grazie alla topologia.
In realtà, in modo tecnicamente e linguisticamente più preciso bisognerebbe dire “materiali topologici”, che potrebbero consentire di costruire componenti che funzionano a temperature ragionevolmente alte, e cioè tali da non richiedere che il computer quantistico sia raffreddato con flussi di azoto liquido o addirittura di elio liquido.
La ricerca originale che ha condotto alla scoperta di questo tipo di materiali è degli Anni 70 e ha fruttato al suo autore il Premio Nobel nel 2016 (sì, al comitato scientifico della Fondazione Nobel e della Corona di Svezia sono occorsi “soltanto” quarant’anni e la tecnologia capace di operare alle nanoscale per capire di che cosa si trattasse…).
Per capire le loro proprietà e perché sia necessario questo ramo “esoterico” delle scienze matematiche per studiarle, dobbiamo ricordare che tutti i componenti elettronici compatti e integrati sono a stato solido, il che fisicamente significa composti da cristalli preferibilmente di un solo elemento chimico oppure di alcuni specifici composti.
I cristalli sono costituiti da reticoli di atomi disposti nello spazio secondo schemi assolutamente regolari e ripetitivi.
Attraverso tecniche opportune, si possono sostituire in un cristallo con regolarità alcuni atomi con atomi di un altro elemento che ha proprietà chimiche (ossia numero di elettroni ‘liberi’ o ‘liberabili’) diverse.
Questi atomi lasciano un certo numero di elettroni in eccesso (drogaggio di tipo N) oppure creano delle “trappole” che catturano elettroni e li incanalano in flussi specifici (drogaggio di tipo P) .

Mini generatori di elettricità formati da… punti quantici

Dal “Gruppo 4B” (silicio e germanio) ai Gruppi “3B” e “5B” della tavola degli elementi

Questo tipo di tecnica, chiamata “bipolare”, opera usando come substrato elementi del “Gruppo 4B” del sistema periodico, come il silicio e il germanio.
Dopo che sono stati affrontati negli studi degli Anni 70, invece di cristalli monoatomici drogati in varie maniere e a diverse concentrazioni i costruttori hanno cominciato a impiegarsi cristalli di “sali binari” ossia formati da due atomi diversi, scegliendo come componenti un elemento del “Gruppo 3B”, come il gallio e l’indio, e uno del “Gruppo 5B”, come arsenico, antimonio o tantalio (quello che si trova nel famoso “Coltan” di cui a nostro avviso “straparlano” gli ambientalisti terzomondisti).
L’utilizzo di questi sali (GaAs o, come dice l’articolo, InSb) producono componenti con frequenze di taglio molto alte e cifre di rumore molto basse (le ditte specializzate in componenti per radiofrequenza riescono a produrre amplificatori con cifre di rumore addirittura di 7 elettroni…), che sono molto adatti per i sistemi di comunicazioni a onde centimetriche e millimetriche.

 

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Come spiega l’articolo citato di Innovando.News, operando alle nanoscale e creando un isolamento con uno strato di ossido si riescono a ottenere dei componenti compatti in cui l’elemento meno metallico (antimonio o arsenico) viene reso superconduttore e quindi tutti gli elettroni in eccesso che fornisce formano uno strato libero di muoversi senza incontrare resistenza.
Il problema che esiste è che il fenomeno della superconduttività inizia a temperatura che noi consideriamo estremamente basse e che nei nostri ambienti ordinari sono difficilissime da mantenere (i più caldi stanno intorno ai 100 sotto zero e quindi funzionerebbero in ambiente snaturale solo negli inverni più freddi dell’Antartide) e questo rende molto complicata la costruzione di computer quantistici a livello industriale.
Non è impossibile pensare che, impiegando atomi più pesanti come le cosiddette “terre rare” (o di tallio o, appunto, il tantalio) si ottengano superconduttori a temperature ancora più alte.

Il mondo quantistico alla mercé di un’inedita eterogiunzione

Trovata inedita per sconfiggere per entanglement gli hacker e ogni attacco informatico

La potenziale innovazione che si potrebbe realizzare usando questo tipo di tecnologia, accoppiata con la capacità di misurare la polarizzazione e di produrre e modulare la luce polarizzata, è la costruzione di modem o di router supersicuri e non intercettabili, che comunicano fra loro per entanglement e colloquiano con l’esterno in luce polarizzata.
Questo comincerebbe a risolvere il problema creato da criminali chiamati hacker…

È made-by-IBM il primo processore quantistico da 127 qubit