Il teletrasporto:
dalla fantascienza di Star Trek
alla realtà della Meccanica Quantistica
L'Equipaggio di Star Trek durante la fase di smaterializzazione atomica
L'Enterprise sfreccia velocissima attraverso le profondità del Cosmo a Warp 9.6, la massima velocità consentita secondo il Next Generation Technical Manual dell'astronave, diretta verso un pianeta con caratteristiche simili alla Terra nella Zona Neutrale della Galassia. In orbita attorno al pianeta l'Enterprise attende l'arrivo di un'astronave di rifornimento, proveniente dall'altro estremo del sistema solare, che trasporta i componenti di ricambio necessari per un'eventuale riparazione delle bobine d'energia, indispensabili per un corretto funzionamento del teletrasporto.
L'astronave Enterprise in orbita attorno ad un pianeta di una lontana Galassia
Mentre l'Enterprise riceve i pezzi di ricambio, il Comandante Kirk, il dottor McCoy ed il Vulcaniano Spock decidono di esplorare il pianeta alla ricerca di forme di vita; quindi entrano nel teletrasporto dove subiscono una fase di smaterializzazione atomica, per poi ricomparire istantaneamente sul suolo del pianeta. Terminata l'esplorazione, il Comandante Kirk chiama l'Enterprise, pronunciando la ormai famosissima frase: "Sig. Scott, ci faccia risalire."
Mr. Scott - Comandante Kirk - Mr. Spock - Dr. McCoy
Istantaneamente i tre membri dell'equipaggio vengono smaterializzati per poi ricomparire, interi ed in ottima salute, a
bordo dell'Enterprise. Ebbene, chi non ha mai sognato di utilizzare il teletrasporto per scomparire, istantaneamente, dal
posto di lavoro o di studio, per ritrovarsi sulle calde spiagge di un'isola esotica?
Il grande fisico Stephen Hawking, padre della teoria dei Buchi Neri ed autore di uno dei tentativi più avanzati di
unificazione della Relatività Generale con la Meccanica Quantistica, ha detto:
L'Astrofisico Stephen Hawking
Le parole profetiche di Stephen Hawking sono diventate realtà nel 1997, quando il gruppo di Anton Zeilinger dell'istituto di Fisica Sperimentale di Vienna è riuscito a teletrasportare dei fotoni, i componenti elementari della luce, da un lato all'altro del loro laboratorio, ed attualmente sono in corso esperimenti per teletrasportare atomi, molecole ed interi virus. Cosa significa tutto questo? Che in un futuro non lontano potremo utilizzare anche noi, come l'equipaggio dell'Enterprise, il nostro teletrasporto personale, per andare da casa al lavoro, ma anche per fare un salto al bar e salutare i nostri amici? Ma torniamo con i piedi per terra e vediamo quali sono i problemi, purtroppo reali, che bisogna affrontare affinché la tecnologia del teletrasporto diventi una fantastica realtà.
Il fisico austriaco Anton Zeilinger
La Meccanica Quantistica, almeno in linea teorica, non vieta il teletrasporto di corpi macroscopici come esseri umani,
lavatrici o elefanti, ed il sogno di tutti noi è di usufruire di un teletrasporto, stile Star Trek, che analizzi l'esatta
composizione atomica del nostro corpo e ne invii i dati ad una stazione ricevente, dove possiamo essere ricostruiti
integralmente.
Purtroppo il teletrasporto previsto dalle leggi della Meccanica Quantistica distrugge, necessariamente, l'originale.
In dettaglio questo significa che con una stazione di teletrasporto sulla Terra, ed una su Alfa Centauri distante da noi
"soltanto" quattro anni luce, il corpo di un viaggiatore verrebbe distrutto sulla Terra nel momento stesso in cui viene
scandito, atomo per atomo, per poi essere ricostruito su Alfa Centauri utilizzando il materiale atomico grezzo, disponibile
nella stazione di arrivo.
Ma anche le leggi della Meccanica Quantistica impongono un limite alla velocità di trasmissione dei dati, che non possono
superare la velocità della luce, quindi il nostro ipotetico viaggiatore verrebbe ricomposto su Alfa Centauri solo quattro
anni dopo la sua smaterializzazione atomica avvenuta sulla Terra.
Fino a poco tempo fa il teletrasporto non veniva preso in seria considerazione dai fisici perché sembrava violare il
Principio di Indeterminazione di Heisenberg, il principio fondamentale della fisica dei quanti.
In parole povere a livello atomico non è possibile conoscere, simultaneamente, la velocità e la posizione di un atomo o di
una particella come un elettrone. Più informazioni si hanno sulla velocità della particella e meno si conosce la sua
posizione, tanto che se si riuscisse a calcolare l'esatta velocità della particella, non si avrebbe la più pallida idea di
dove essa si trovi nello spazio tridimensionale.
Quindi, in definitiva, quanto più è preciso il processo di scansione tanto più l'oggetto viene perturbato; il risultato è che
ad un certo punto l'oggetto originale viene distrutto senza che se né possa estrarre l'informazione, necessaria e sufficiente,
da consentire la realizzazione della copia.
Ma gli scienziati, che hanno effettuato i primi esperimenti di teletrasporto, sono riusciti ad aggirare il Principio di
Indeterminazione, usando un argomento paradossale noto come EPR dai nomi di Einstein, Podolsky e Rosen, che l'hanno ideato.
(Paradossalmente Einstein l'aveva ideato proprio per dimostrare l'incoerenza della fisica dei quanti, ironia della sorte.)
Questo effetto EPR implica un'azione immediata a distanza tra due oggetti, in pratica si avrebbe uno scambio di informazione,
almeno in apparenza, ad una velocità superiore a quella della luce.
Ma rigorosi esperimenti di fisica quantistica hanno dimostrato, al di là di ogni ragionevole dubbio, che se due oggetti prima
uniti e poi separati a grande distanza conservano una specie di memoria comune, quindi una modifica su uno dei due oggetti,
come l'atto di misurazione o di scansione, si riproduce istantaneamente anche sull'altro oggetto, qualunque sia la distanza
che li separi.
Ma i due oggetti non hanno scambiato informazioni tra di loro, perché nessun segnale può viaggiare a velocità superiore a
quella della luce. Secondo Einstein, Podolsky e Rosen esiste in ogni atomo, fotone o particella infinitamente piccola una
parte di informazione impossibile da analizzare e diversa dall'informazione ordinaria che può essere analizzata e trasmessa.
Questa piccola informazione venne chiamata correlazione o entanglement EPR.
Rappresentazione grafica del concetto di "entanglement"
Nel 1960 John Bell dimostrò che una coppia di particelle entangled, in contatto tra di loro e poi separate in modo da non
poter più interagire direttamente, possono esibire un comportamento che è troppo correlato per poter essere spiegato con le
classiche leggi statistiche. L'effetto EPR delle particelle è un elemento importantissimo per la perfetta riuscita del
teletrasporto, perché grazie ad esso è possibile trasmettere quella parte di informazione che è troppo fragile per poter
essere quantizzata e trasmessa con metodi convenzionali.
Per semplicità possiamo considerare un sistema fisico composto da due parti, A e B, che si separano e si allontanano in
direzioni diverse a velocità relativistiche. In qualsiasi momento è possibile misurare una proprietà caratteristica P_A di A,
ed altrettanto può essere fatto misurando la caratteristica P_B di B.
Nello strano mondo della Meccanica Quantistica i risultati delle due misure, P_A e P_B, sono sempre correlati tra loro; cioè
da un'analisi del valore di P_A possiamo dedurre il valore di P_B, anche se i due corpi si trovano ad una distanza tale che
nessuna radiazione elettromagnetica può trasmettere informazioni tra le due parti.
Per esempio possiamo prendere una banconota, dividerla in due parti e consegnare una metà al Signor A e l'altra metà al
Signor B; i quali, all'oscuro di quale parte di banconota è in loro possesso, si allontanano su due astronavi velocemente tra
di loro ed in direzioni opposte.
Nell'istante in cui il Signor A guarderà la propria metà di banconota, capirà immediatamente quale metà è in possesso del
Signor B, e viceversa.
La correlazione (entanglement) dei risultati esiste perché era già esistente, e ben definita, prima che i Signori A e B
guardassero la propria metà di banconota, eliminando il paradosso di uno scambio di informazioni a velocità superiori a
quella della luce.
Il gruppo di Zeilinger a Vienna ha utilizzato due fotoni entangled A e B, con A posto nella stazione trasmittente e B in
quella ricevente, i quali in base all'effetto EPR si trovano nello stesso stato quantico. Il fotone C, selezionato per essere
teletrasportato, viene misurato contemporaneamente ad A nella stazione trasmittente. Questa misura dà l'informazione di come
trasformare B, così che esso si porti nello stesso stato quantico di C. Se la stazione trasmittente spedisce le necessarie
informazioni, la stazione ricevente sarà in grado di trasformare B in una copia precisa di C.
Questo processo non viola il Principio di Indeterminazione di Heisenberg, poiché non viene misurato l'esatto stato quantico
di C, ma piuttosto quanto C differisce da A.
In questo processo non si ha il trasporto materiale dei fotoni utilizzati, ed inoltre durante la misura con A la particella C
viene distrutta, perciò non è più possibile farne delle copie.
Attualmente questo è lo stato dell'arte sul Teletrasporto, quindi siamo ben lontani da quanto avviene normalmente" in ogni
puntata di Star Trek.
Però così come Gene Roddenberry, il geniale ideatore di Star Trek, ha immaginato che un uomo dicesse: "Signor Scott, mi
faccia risalire!", scomparendo e ricomparendo in un altro posto, distante migliaia di chilometri quasi istantaneamente, verrà
un giorno in cui l'uomo lo farà realmente! Ne sono sicuro...
Giovanni Zavarelli