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Entanglement quantistico, il più misterioso fenomeno della fisica

L’entanglement è il più misterioso fenomeno della fisica perché mette in discussione la nostra normale visione della realtà facendo intravvedere una specie di “substrato universale” che connette tra loro le particelle, al di là delle categorie filosofiche e fisiche di tempo e spazio.

Come per altri fenomeni previsti dalla fisica moderna, si potrebbe pensare che tali anomalie verranno sanate da una prossima “Teoria del Tutto” che le comprenda. Nel caso dell’entanglement, però, c’è da dire che il fenomeno è stato più volte osservato, e che non è ancora stato confutato. Qualunque cosa sia l’entanglement, la fisica futura non ne può prescindere.

L’entanglement quantistico è un fenomeno dove gli stati quantici, come lo spin o la polarizzazione delle particelle localizzate in diverse posizioni, non può essere descritto indipendentemente. Eseguire perciò una misura su una particella implica una conseguente azione su un’altra particella, un fenomeno che lo stesso Einstein definì come “azione fantasma a distanza”.

La misurazione (per esempio della rotazione di un elettrone entangled) può istantaneamente influenzare la rotazione di un altro elettrone in una posizione arbitrariamente distante, apparentemente (ma non in realtà) più veloce del limite di velocità della luce della relatività speciale. Il fatto che le misurazioni dello spin elettronico possano essere altamente correlate, violando la disuguaglianza di Bell , è uno dei risultati sperimentali fondamentali nella moderna teoria e interpretazione della meccanica quantistica.

entanglement
Nell’entanglement quantistico, le misurazioni dello stato di rotazione di una particella influenzano lo stato di rotazione di un’altra particella arbitrariamente distante

Le proprietà dell’entanglement quantistico possono generare teletrasporto quantistico, in cui lo stato di una particella entangled viene inviato da una posizione a un’altra senza spostare la particella. Questo fenomeno può rivelarsi estremamente utile nel nascente campo dell’informatica quantistica, dove la manipolazione degli stati quantici senza perdere informazioni esponendoli all’ambiente viene molto apprezzata.

Test sperimentali

  • Nel 1992 presso l’Università di Leida nei Paesi Bassi venne appurato l’entanglement dei momenti angolari di quattro fotoni.
  • Il 2 dicembre 2011 vengono correlati due diamanti di un millimetro posti alla distanza di 15 cm a temperatura ambiente.
  • Il 27 settembre 2014 un gruppo di fisici annuncia di aver creato un singoletto di spin con almeno 500 000 atomi di rubidio raffreddati ad una temperatura di 20 milionesimi di kelvin utilizzando la correlazione quantistica.
  • Il 30 novembre 2016 il gruppo di citizen scientists, 100.000 persone di 190 paesi del mondo, hanno condotto un esperimento generando bit e stringhe casuali, il test denominato Big Bell Test ha confermato la validità del concetto di entaglement, mettendo conseguentemente in discussione il concetto di realtà locale.
  • Nel giugno 2017 un gruppo di ricercatori cinesi realizza una rete a comunicazione quantistica composta da tre nodi e un satellite in orbita che ha permesso la distribuzione di fotoni in entanglement tra i diversi nodi terrestri distanti 1.200 Km e distanti tra i 1.600 e i 2.000 Km, dal satellite in orbita.
  • A maggio 2017 è stato proposto uno studio nel quale si afferma che sia stato prodotto un effetto d’interferenza controllata tra due singoli fotoni emessi da atomi entangled.

Nel 2018 un esperimento condotto sull’isola di La Palma, alle Canarie, sotto la guida del gruppo di ricerca di Anton Zeilinger dell’Accademia austriaca delle scienze e dell’Università di Vienna, si è avvalso di due grandi telescopi – il Telescopio nazionale Galileo dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e il William Herschel Telescope – per effettuare un test di entanglement quantistico utilizzando i fotoni di oggetti astronomici lontani. I risultati sono pubblicati sull’ultimo numero di Physical Review Letters.

Nell’esperimento sono state create, in un laboratorio mobile a La Palma, coppie di fotoni entangled da inviare a stazioni riceventi approntate dai ricercatori accanto ai due grandi telescopi. I telescopi, a loro volta, osservando regioni di cielo quasi opposte, hanno raccolto la luce di due lontanissimi quasar – due nuclei galattici attivi molto luminosi a 8 e 12 miliardi di anni luce da noi.

Le variazioni del “colore” nella luce dei quasar sono state sfruttate per decidere quale tipo di misurazioni eseguire sulle coppie di fotoni entangled, con un fotone di ciascuna coppia inviato al ricevitore presso il Telescopio nazionale Galileo e l’altro al presso il William Herschel Telescope, entrambi situati all’osservatorio del Roque de los Muchachos. In particolare, è stata misurata – seguendo le “decisioni” prese in base alle fluttuazioni della luce dei rispettivi quasar – la polarizzazione di ciascun fotone entangled.

Ma perché ricorrere a un sistema così complesso, addirittura a due quasar, per “decidere” quali misurazioni effettuare? Il motivo sta nel fatto che la misurazione di un fotone di una coppia entangled ha un’influenza immediata sul risultato della misurazione dell’altro fotone: un fenomeno quantistico di violazione del principio di località (che afferma che oggetti distanti non possono avere influenza istantanea l’uno sull’altro) che Einstein, riluttante ad ammetterne l’esistenza, chiamava “azione spettrale a distanza”.

Ora, affinché i risultati di esperimenti del genere siano validi, è cruciale garantire che le “decisioni” sul tipo di misurazioni da compiere siano completamente indipendenti, senza alcuna possibilità di influenze da una causa comune. Proprio com’è avvenuto nell’esperimento condotto a La Palma: affidando la decisione a fluttuazioni della luce provenienti dai due quasar così distanti, dunque risalente a un’epoca di poco successiva al Big Bang, un’eventuale influenza su entrambe le sorgenti potrebbe aver avuto luogo – calcolano gli scienziati, solo nel 4 per cento dell’Universo conosciuto.

«La sfida cruciale dell’esperimento consisteva nel fare in modo che la scelta delle misure di polarizzazione da compiere su ciascuno dei fotoni entangled fosse fatta in modo completamente indipendente da noi e da qualsiasi ambiente, non importa quanto grande», spiega Dominik Rauch, primo autore dell’articolo. «Questa luce, del tutto autonoma rispetto a noi e a quasi tutto il nostro passato, ci ha permesso di usare i due remoti quasar come generatori di numeri casuali cosmici». Una luce ideale per questo particolare esperimento, e al tempo stesso un metodo inedito per ottenere numeri casuali.

dio non gioca a dadi
Dio, i dadi e Einstein – Pur avendo contribuito alle sue basi, la fisica quantistica non piaceva granché ad Einstein. Ha fatto storia la serie ripetuta di paradossi che l’autore della relatività poneva, ogni giorno, a Niels Bohr, per sfidarlo a provare il principio di indeterminazione. «Non posso credere nemmeno per un attimo che Dio giochi a dadi!», esclamò un giorno Einstein nel corso dell’ennesimo braccio di ferro mentale quotidiano. «Piantala di dire a Dio che cosa fare con i suoi dadi», gli rispose Bohr.

Interpretazioni epistemologiche

L’entanglement quantistico costituisce una difficoltà per la teoria quantistica dal punto di vista epistemologico, in quanto è incompatibile con il principio apparentemente ovvio e realistico della località, per il quale il passaggio di informazione tra diversi elementi di un sistema può avvenire soltanto tramite interazioni causali successive, che agiscano spazialmente dall’inizio alla fine. Ad esempio, secondo il principio di località, il pugno di una persona può colpire il naso di un’altra solo se si è abbastanza vicini, o se si è in grado di mettere in moto meccanismi che, passo dopo passo, giungano fino al naso. Differenti interpretazioni del fenomeno dell’entanglement portano a differenti interpretazioni della meccanica quantistica.

All’inizio del XXI secolo alcuni fisici hanno cominciato ad analizzare la meccanica quantistica nei termini dell’informazione quantistica contenuta in un sistema. Con questo approccio l’entanglement e altri comportamenti tipici dei sistemi quantistici diventano derivazioni di teoremi sull’informazione contenuta nei sistemi stessi.

Il paradosso EPR

Le previsioni controintuitive della meccanica quantistica su sistemi fortemente correlati furono discusse per la prima volta da Albert Einstein nel 1935, in un documento congiunto con Boris Podolsky e Nathan Rosen. In questo studio, i tre hanno formulato il paradosso EPR, un esperimento mentale che ha tentato di dimostrare che la teoria della meccanica quantistica era incompleta . Hanno scritto:

“Siamo così costretti a concludere che la descrizione quantomeccanica della realtà fisica data dalle funzioni d’onda non è completa.” 

Tuttavia i tre scienziati non hanno coniato la parola entanglement, né hanno generalizzato le proprietà speciali dello stato che hanno considerato. Seguendo il documento EPR, Erwin Schrödinger ha scritto una lettera a Einstein in tedesco in cui ha usato la parola Verschränkung ( tradotto come entanglement ) “per descrivere le correlazioni tra due particelle che interagiscono e quindi separano, come nell’esperimento EPR.”

Poco dopo Schrödinger pubblicò un documento fondamentale che definiva e discuteva la nozione di “entanglement”. Nel documento riconobbe l’importanza del concetto e affermò:

“Definirei entanglement il tratto caratteristico della meccanica quantistica, quello che impone il suo completo distacco dalle linee classiche del pensiero.”

Come Einstein, Schrödinger era insoddisfatto del concetto di entanglement, perché sembrava violare il limite di velocità nella trasmissione di informazioni implicite nella teoria della relatività . In seguito Einstein derise notoriamente l’entanglement come ” spukhafte Fernwirkung ”  o ” azione spettrale a distanza “.

articolo relativo al documento EPR
Titolo dell’articolo relativo al documento EPR , nel numero del 4 maggio 1935 del New York Times .

Il documento EPR suscitò un notevole interesse tra i fisici che ispirò molte discussioni sui fondamenti della meccanica quantistica (forse la più famosa interpretazione di Bohm della meccanica quantistica), ma produsse relativamente poche altre pubblicazioni. Quindi, nonostante l’interesse, il punto debole dell’argomento dell’EPR non fu scoperto fino al 1964, quando John Stewart Bell dimostrò che uno dei loro presupposti chiave, il principio di località, applicato al tipo di interpretazione di variabili nascoste sperato dall’EPR, era matematicamente incoerente con le previsioni della teoria dei quanti.

Specificamente, Bell ha dimostrato un limite superiore, visto nella disuguaglianza di Bell, riguardo alla forza delle correlazioni che possono essere prodotte in qualsiasi teoria che obbedisce al realismo locale, e ha mostrato che la teoria quantistica prevede violazioni di questo limite per certi sistemi entangled. La sua diseguaglianza è testabile sperimentalmente e ci sono stati numerosi esperimenti rilevanti, a partire dal lavoro pionieristico di Stuart Freedman e John Clauser nel 1972 e gli esperimenti di Alain Aspect nel 1982, che hanno dimostrato tutti accordo con la meccanica quantistica piuttosto che il principio del realismo locale.

Fino a poco tempo fa ognuno aveva lasciato aperta almeno una scappatoia con la quale era possibile mettere in discussione la validità dei risultati. Tuttavia, nel 2015 è stato condotto un esperimento che ha simultaneamente chiuso le falle di rilevamento e di localizzazione ed è stato annunciato come “privo di scappatoie”; questo esperimento escludeva con certezza un’ampia classe di teorie sul realismo locale. Alain Aspect nota che la scappatoia dell’indipendenza-impostazione – che egli definisce “inverosimile”, ma “una scappatoia residua” che “non può essere ignorata” – deve ancora essere chiusa, e il libero arbitrio / la scappatoia del super determinismo è ineccepibile; dicendo “nessun esperimento, per quanto ideale così com’è, si può dire che sia totalmente privo di scappatoie”. 

Un’opinione di minoranza sostiene che sebbene la meccanica quantistica sia corretta, non vi è alcuna azione istantanea superluminale a distanza tra le particelle entangled una volta separate le particelle.

Il lavoro di Bell ha sollevato la possibilità di utilizzare queste correlazioni super-forti come risorsa per la comunicazione. Ha portato alla scoperta dei protocolli di distribuzione delle chiavi quantistiche , il più famoso BB84 di Charles H. Bennett e Gilles Brassard e E91 di Artur Ekert. Sebbene BB84 non usi l’entanglement, il protocollo di Ekert usa la violazione dell’ineguaglianza di Bell come prova di sicurezza.

Nell’ottobre 2018, i fisici hanno riferito che il comportamento quantistico può essere spiegato con la fisica classica per una singola particella, ma non per particelle multiple come in entanglement quantistico e relativi fenomeni di non località.

Documentario in italiano – La forza è con noi – Morgan Freeman Science Show – gravità, gravitoni, onde gravitazionali, entanglement quantistico, correlazione quantistica

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Le nuove implicazioni dell’Entanglement, su Altrogiornale.org. 
  2. Diamanti (quantisticamente) inseparabili, in “Le Scienze”, 2 dicembre 2011.
  3. Un nuovo stato della materia creato con l’entanglement quantistico, in “Le Scienze”, 27 settembre 2014. 
  4. https://www.focus.it/scienza/scienze/big-bell-test-un-esperimento-globale-di-fisica-quantistica
  5. Juan Yin, Yuan Cao, Yu-Huai Li ed altri, Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers, in Science AAAS, vol. 356, nº 6343, pp. 1140 – 1144.
  6. Entanglement da record grazie a un satellite, su lescienze.it.
  7. Controllare l’interferenza di fotoni da atomi entangled, su le scienze, 16 maggio 2018.

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