Fotoni e matematica

Fotoni e matematica

a cura del CNR

Confermato: con i fotoni la matematica diventa ‘un’opinione’

Eccezionale esperimento dell’Inoa-Cnr dimostra, per la prima volta, che quando si aggiungono e
sottraggono fotoni da un campo di luce le regole dell’aritmetica non valgono più. La scoperta,
pubblicata su Science, rende possibile creare computer di altissima precisione e del tutto
impenetrabili alle intercettazioni.

Due più due fa quattro ? E, soprattutto, quattro meno due fa due? Non sempre. Nella meccanica
quantistica, quando si aggiungono e sottraggono fotoni, le normali regole dell’aritmetica non
valgono più. Le bizzarre leggi delle microscopiche particelle di luce sono state verificate per la
prima volta grazie a un esperimento eccezionale, condotto da un gruppo di ricercatori dell’Istituto
nazionale di ottica applicata (Inoa) del Consiglio nazionale delle ricerche di Firenze, del
Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (Lens), del Dipartimento di Fisica dell’Università
di Firenze e della Queen’s University di Belfast.

I risultati sono pubblicati sul numero odierno di Science. La scoperta rende possibile la creazione
di nuovi strumenti e computer dalla precisione e capacità finora irraggiungibili e del tutto
impenetrabili alle intercettazioni. “Nel nostro laboratorio – spiega Marco Bellini dell’Inoa-Cnr –
abbiamo dimostrato per la prima volta come aggiungere e sottrarre in modo assolutamente controllato
singole particelle di luce, i fotoni, da un campo luminoso di tipo classico, simile cioè a quello
emesso dal sole o da una comune lampadina”.

Tali particelle luminose fondamentali e indivisibili obbediscono alle regole della meccanica
quantistica, diverse rispetto agli oggetti di uso comune, seguendo comportamenti apparentemente
bizzarri e illogici. “Il nostro gruppo, cui partecipano Valentina Parigi del Lens, Alessandro
Zavatta dell’Università di Firenze e Myungshik Kim dell’Università di Belfast, aveva già mostrato
come far percorrere a un solo fotone due cammini alternativi, in modo da farlo trovare
contemporaneamente in due posizioni diverse. Nell’ultimo esperimento, abbiamo invece dimostrato
come, se si aggiunge un fotone e subito dopo se ne estrae un’altro da un particolare campo luminoso,
il numero finale di fotoni può diventare completamente diverso da quello iniziale. Ancora più
sorprendente è che la semplice sottrazione di un fotone da particolari campi luminosi ha come
risultato un aumento, anziché una diminuzione nel numero di fotoni restanti. Come se si aumentasse
il numero di palline contenute in una scatola tutte le volte che se ne estrae una !”. Sebbene
apparentemente controintuitivi, questi risultati sono in realtà esattamente quelli previsti per gli
oggetti microscopici dalle bizzarre leggi della meccanica quantistica, che gli esperimenti di
Bellini e degli altri ricercatori hanno permesso per la prima volta di verificare in modo diretto.
Ma a quali risultati può portare questa eccezionale scoperta ? “A parte l’estremo interesse per
l’avanzamento delle nostre conoscenze fondamentali sul funzionamento dell’Universo, potremo forse
avere presto importanti e innovative ricadute applicative. L’aver realizzato sequenze perfettamente
controllate di aggiunte e sottrazioni di singoli fotoni da un campo luminoso apre la strada alla
generazione di luce dalle proprietà completamente nuove, ad esempio alla costruzione di nuovi
strumenti per misure di forze e spostamenti infinitesimali, dalla precisione finora irraggiungibile.
Un computer basato su queste proprietà quantistiche potrebbe risolvere in modo rapido ed efficiente
problemi attualmente irrisolvibili anche per le macchine più potenti. Inoltre, si potrebbero
realizzare particolari stati di luce per la comunicazione a distanza di dati riservati,
assolutamente impenetrabile alle intercettazioni”.

La cosiddetta ‘crittografia quantistica’ si basa su messaggi codificati con una chiave segreta,
sistema che però oggi pone il problema dello scambio della chiave tra mittente e destinatario: per
quanto sicura sia la procedura, infatti, una spia può sempre inserirsi nella trasmissione, leggere i
dati e reindirizzarli al destinatario senza che la sua presenza venga rivelata. Con una ‘chiave
quantistica’ che segua le leggi degli stati di luce ora prodotti in laboratorio, vale invece il
‘principio di indeterminazione di Heisenberg’, secondo cui è impossibile misurare le caratteristiche
di un sistema senza modificarlo: l’eventuale spia, insomma, altererebbe in modo incontrollabile la
chiave e verrebbe scoperta”. La privacy sarà finalmente assicurata ?

Scheda

Data articolo: ottobre 2007
Che cosa: esperimento sulla fotonica.
Chi: ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica applicata (Inoa) del Consiglio nazionale delle
ricerche di Firenze, del Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (Lens), del Dipartimento
di Fisica dell’Università di Firenze e della Queen’s University di Belfast.

Per informazioni:

Marco Bellini, Istituto nazionale di ottica applicata del Consiglio nazionale delle ricerche di
Firenze
Phone: +39 055/4572493-2459-2215
E-mail: bellini@inoa.it
INOA-LENS Nonlinear and Quantum Optics Group