INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
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Traduzione dell’articolo di Laura Dattaro apparso su Symmetry Magazine il 6/11/2018:
https://www.symmetrymagazine.org/article/the-quest-to-test-quantum-entanglement
L’entanglement quantistico, messo in dubbio da Einstein, ha superato test sempre più stringenti.
Oltre 12 miliardi di anni fa, della luce venne emessa da un oggetto celeste estremamente luminoso detto quasar e iniziò un lungo viaggio verso un pianeta che non esisteva ancora. Più di 4 miliardi di anni dopo, altri fotoni lasciarono un altro quasar per intraprendere un percorso simile. Mentre si formavano la Terra e il suo sistema solare, la vita evolveva e gli esseri umani cominciavano a studiare fisica, le particelle proseguirono per la loro strada. Giunsero, infine, sull’isola La Palma delle Canarie, in un paio di telescopi disposti per un esperimento volto a verificare la natura stessa della realtà.
L’esperimento era stato concepito per studiare l’entanglement quantistico, un fenomeno che connette i sistemi quantistici in modi che risultano impossibili nel mondo classico delle grandi dimensioni. Quando due particelle, come una coppia di elettroni, sono “entangled” (il termine inglese è ormai di uso comune per descrivere sistemi correlati quantisticamente, N.d.T.), è impossibile misurarne una senza ricavare qualche informazione sull’altra. Le loro proprietà, quali momento e posizione, sono inestricabilmente legate.
“L’entanglement quantistico comporta l’impossibilità di rappresentare un sistema quantistico composto in termini di descrizioni meramente locali, una per ciascun sistema”, spiega Michael Hall, fisico teorico dell’Australian National University.
Il fenomeno comparve per la prima volta nel corso di un esperimento mentale elaborato niente meno che da Albert Einstein. In un articolo del 1935, Einstein e due suoi colleghi mostrarono che se la meccanica quantistica descriveva pienamente la realtà, eseguire una misurazione su una parte di un sistema entangled avrebbe istantaneamente influenzato la nostra conoscenza delle future misurazioni dell’altra parte, verosimilmente inviando informazioni a velocità maggiore di quella della luce, cosa impossibile secondo la fisica conosciuta. Einstein parlò di “spettrale azione a distanza”, che implicava ci fosse qualcosa di fondamentalmente sbagliato nella nascente meccanica quantistica.
A decenni di distanza, l’entanglement quantistico è stato più volte confermato sperimentalmente. Mentre i fisici hanno imparato a controllarlo e a studiarlo, non hanno però ancora trovato un meccanismo per spiegarlo o raggiunto un accordo circa le sue implicazioni sulla natura della realtà.
“L’entanglement in sé e stato verificato da molti decenni” afferma Andrew Friedman, astrofisico della University of California di San Diego, il quale ha lavorato all’esperimento quasar, anche noto come “test di Bell cosmico”. “La vera sfida è che, pur sapendo che si tratta di una realtà sperimentale, non abbiamo una storia credibile su come funzioni effettivamente”.
Le assunzioni di Bell
Il mondo della meccanica quantistica – la fisica che governa il comportamento dell’universo su scale microscopiche – viene spesso descritto come estremamente strano. Secondo le sue leggi, gli elementi costitutivi della natura sono contemporaneamente onde e corpuscoli, con posizione indefinita nello spazio. Occorre un sistema esterno che li osservi o li misuri per indurli a “scegliere” uno stato definitivo. E le particelle connesse quantisticamente sembrano influenzare istantaneamente l’una le “scelte” dell’altra, a prescindere da quanto siano tra loro distanti.
Einstein rimase talmente insoddisfatto di queste idee che postulò le classiche “variabili nascoste”, le quali si collocano al di là della nostra comprensione della meccanica quantistica e che, una volta comprese, renderebbero l’entanglement meno inquietante. Negli anni ’60, il fisico John Bell ideò un test per i modelli basati sull’idea delle variabili nascoste, noto come “disuguaglianza di Bell”.
Bell delineò tre assunzioni sul mondo, avente ognuna una corrispondente affermazione matematica: realismo, il quale stabilisce che gli oggetti hanno delle proprietà che mantengono che vengano osservati o meno; località, secondo la quale nulla può influenzare qualcosa così distante che un segnale tra esse debba viaggiare più veloce della luce; libertà di scelta, ossia gli scienziati possono eseguire misurazioni liberamente e senza subire influenze da parte delle variabili nascoste. Indagare l’entanglement è la chiave per verificare tali assunzioni. Se gli esperimenti mostrano che la natura obbedisce ad esse, significa che viviamo in un mondo che può essere spiegato in maniera classica, e che le variabili nascoste servono solo a creare l’illusione dell’entanglement quantistico. Se invece le prove sperimentali dimostrano che il mondo non segue tali assunzioni, allora l’entanglement quantistico esiste davvero e il mondo subatomico è veramente strano come appare.
“Quello che Bell mostrò e che, se il mondo obbedisce a queste assunzioni, esiste un limite superiore su quanto le misure su particelle entangled possono essere correlate”, afferma Friedman.
I fisici possono misurare le proprietà delle particelle, quali lo spin, l’impulso o la polarizzazione. Gli esperimenti dimostrano che quando le particelle sono entangled, il risultato di tali misurazioni presenta una correlazione statistica maggiore di quanto ci si aspetterebbe in un sistema classico, violando così le disuguaglianze di Bell.
In uno dei test di Bell, gli scienziati inviano due fotoni entangled verso dei rivelatori lontani tra loro. La rivelazione dei fotoni dipende dalla polarizzazione di questi ultimi; se sono perfettamente allineati, sono rivelati; altrimenti, esiste una certa probabilità che vengano bloccati, a seconda dell’angolo di allineamento. Gli scienziati guardano per vedere se le particelle entangled si trovano nella stessa polarizzazione più spesso di quanto previsto con la statistica classica. Se ciò accade, almeno una delle assunzioni di Bell non può essere valida in natura. Nel caso il mondo non obbedisca al realismo, allora le caratteristiche delle particelle non sarebbero ben definite prima delle misurazioni. Se le particelle potessero influenzarsi l’un l’altra istantaneamente, vorrebbe dire che in qualche modo comunicano a una velocità più elevata di quella della luce, violando la località e la teoria della relatività speciale di Einstein.
Gli scienziati hanno a lungo supposto che i precedenti risultati sperimentali troverebbero una spiegazione ideale se il mondo non obbedisse a uno o a due delle prime assunzioni di Bell, realismo e località. Tuttavia, studi recenti indicano che il colpevole sarebbe il terzo assunto, ovvero la libertà di scelta. Forse la decisione degli scienziati sull’angolo di allineamento dei fotoni non può essere libera e casuale come pensavano.
L’esperimento quasar è stato l’ultimo a mettere alla prova l’assunzione della libertà di scelta. Gli scienziati determinarono l’angolo di allineamento per il quale i fotoni passano attraverso i rivelatori in base alla lunghezza d’onda della luce rivelata dai due quasar distanti, qualcosa definito rispettivamente 7.8 e 12.2 miliardi di anni fa. I fotoni in viaggio da lungo tempo hanno preso il posto dei fisici o dei generatori di numeri casuali nella decisione, eliminando le influenze terrestri sull’esperimento, umane o di altra natura.
Alla fine del test, il gruppo di lavoro individuò tra i fotoni entangled correlazioni ancor più elevate rispetto a quelle previste dal teorema di Bell nel caso di un mondo classico.
Questo significa che, se alcune variabili classiche determinassero davvero i risultati dell’esperimento, nello scenario più estremo, la scelta di misurazione sarebbe stata disposta molto tempo prima dell’avvento dell’uomo. Di conseguenza la “stranezza” quantistica sarebbe veramente il risultato di un universo in cui tutto è predeterminato.
“Ciò risulta insoddisfacente a molti” afferma Hall. “In sostanza, dicono: se è stato stabilito molto tempo fa, dovresti provare a spiegare le correlazioni quantistiche con scelte predeterminate. La vita perderebbe ogni significato, e smetteremmo di studiare fisica”.
Certo, gli studi continuano, e l’entanglement riserva molti misteri da spiegare. In aggiunta alla mancata spiegazione causale per l’entanglement, i fisici non capiscono perché misurare un sistema entangled lo riporti improvvisamente allo stato classico, privo di entanglement, né comprendono se le particelle entangled comunichino veramente in qualche modo. Misteri, questi, che continuano a indagare attraverso nuovi esperimenti.
“Nessuna informazione può viaggiare da un punto a un altro istantaneamente, ma interpretazioni diverse della meccanica quantistica accetterebbero o meno una qualche influenza nascosta”, dice Gabriela Barreto Lemos, ricercatrice post-doc presso l’International Institute of Physics in Brasile. “Ma qualcosa su cui possiamo essere d’accordo è questa definizione in termini di correlazione e statistica”.
Cercando qualcosa di insolito
Sviluppare una conoscenza approfondita dell’entanglement aiuterebbe a risolvere sia problemi pratici che di natura fondamentale. I computer quantistici fanno affidamento sull’entanglement. Anche la criptografia quantistica, una misura di sicurezza teorica che si suppone sia impossibile da violare, richiede una piena comprensione del fenomeno. Se le variabili nascoste sono valide, tale crittografia potrebbe in effetti essere hackerata.
L’entanglement potrebbe inoltre custodire la chiave per rispondere ad alcuni dei quesiti fondamentali della fisica. Alcuni ricercatori si sono dedicati allo studio di materiali contenenti un elevato numero di particelle entangled, piuttosto che delle semplici coppie. Quando si presenta un simile aggregato di particelle entangled, gli scienziati osservano nuovi stati della materia che esulano dai familiari solido, liquido e gassoso, nonché nuovi schemi di entanglement che non si incontrano altrove.
“Questo ti dice che l’universo è più ricco di quanto non sospettassimo precedentemente”, dice Brian Swingle, fisico della University of Maryland che si occupa di ricerche su questi materiali. “Avere un insieme di elettroni non significa necessariamente che lo stato di materia risultante avrà le caratteristiche dell’elettrone”.
Dallo studio di tali materiali emergono proprietà talmente interessanti che i fisici stanno iniziando a considerare la possibilità che l’entanglement sia in verità ciò che tiene insieme lo stesso spazio-tempo – un risvolto alquanto ironico dal momento che ad Einstein, il primo a mettere in relazione spazio e tempo nella sua teoria della relatività, la meccanica quantistica non andava molto a genio. Tuttavia, se le ipotesi teoriche si rivelassero corrette, l’entanglement potrebbe aiutare gli scienziati a raggiungere finalmente uno dei loro obiettivi ultimi: ottenere una teoria della gravità quantistica che unifica il mondo relativistico di Einstein con l’enigmatico e apparentemente contradditorio universo quantistico.
“La realizzazione di questi esperimenti è importante anche se non ci aspettiamo di trovare nulla di insolito” afferma Lemos. “In fisica, la rivoluzione arriva proprio quando crediamo che non troveremo niente di strano e invece lo troviamo. Per questo dobbiamo fare questi esperimenti”.
Traduzione a cura di Camilla Paola Maglione, Ufficio Comunicazione LNF