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Sviluppi sul bizzarro fenomeno dell’entanglement quantistico

I bizzarri fenomeni della meccanica quantistica, tra i quali l’Entanglement, sono alla base di tante tecnologie quotidianamente utilizzate, dal computer al laser, dalle celle solari ai dispositivi biomedicali. Inoltre costringono la scienza a indagare nuove teorie e possibilità, dalle interazioni superluminali alla “morte” quantistica dell’Universo

La meccanica quantistica rappresenta senza dubbio il capitolo più misterioso di tutta la fisica: anche chi non possiede una formazione scientifica specalistica può rendersi facilmente conto e delle sue innumerevoli stranezze, in grado di violare così palesemente il senso comune. Queste “contraddizioni” rappresentano, d’altra parte, il fondamento concettuale delle più importanti teorie fisiche moderne e sono oramai comunemente accettate “in quanto tali”, dal momento che i modelli che da esse derivano sono in grado di descrivere buona parte dei risultati sperimentali finora disponibili.

Il comportamento ondulatorio della materia previsto dalla meccanica quantistica è inoltre alla base di un altro sorprendente fenomeno, tipicamente quantistico, noto come entanglement (ovvero intreccio) che caratterizza gli stati quantici di sistemi fisici (microscopici) tra loro interagenti. Si può certamente affermare che l’entanglement quantistico rappresenta uno dei fenomeni più misteriosi, e tuttora sostanzialmente inspiegati, di tutta la fisica a tal punto che Erwin Shrodinger, uno dei padri fondatori della meccanica quantistica lo definiva il “tratto caratterizzante” della teoria quantistica, e Albert Einstein non riuscì mai ad accettarlo fino in fondo tanto da ritenerlo la prova stessa che la meccanica quantistica fosse una teoria sostanzialmente inesatta (o quantomeno incompleta).

entanglement

In estrema sintesi, il concetto di entanglement è basato sull’assunzione che gli stati quantistici di due particelle microscopiche A e B (ma anche, in una certa misura, dei sistemi macroscopici) inizialmente interagenti possano risultare legati (appunto “intrecciati”) tra loro in modo tale che, anche quando le due particelle vengono poste a grande distanza l’una dall’altra, la modifica che dovesse occorrere allo stato quantistico della particella A istantaneamente avrebbe un effetto misurabile sullo stato quantistico della particella B, determinando in tal modo il fenomeno della cosiddetta “azione fantasma a distanza” (spooky action at distance).

Secondo lo stesso Einstein, l’esistenza di una tale “interazione” a distanza metterebbe in seria crisi la nostra concezione di come la natura funziona, determinando conseguenze paradossali (come quelle descritte dal cosiddetto paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen, altrimenti noto come EPR). Tale affermazione, come divenne chiaro molti decenni dopo, deve essere interpretata esclusivamente con riferimento alla Teoria della Relatività e non può essere ritenuta di validità generale.

Nel 1964 il fisico John Bell ricava una diseguaglianza matematica (nota, appunto, come diseguaglianza di Bell) che quantifica il massimo grado di correlazione tra gli stati quantici di particelle spazialmente distanti nell’ambito di esperimenti in cui sono soddisfatte tre “ragionevoli” condizioni:

  1. gli sperimentatori hanno libero arbitrio nell’imporre le condizioni iniziali dell’esperimento;
  2. le proprietà delle particelle che vengono misurate sono reali e preesistenti e non emergono soltanto al momento dell’esperimento;
  3. nessuna interazione tra le particelle può avere luogo a una velocità maggiore di quella assunta dalla luce nel vuoto (che, in accordo con i postulati della Teoria della Relatività di Einstein, costituirebbe dunque un limite assoluto nell’Universo).

Ebbene, com’è stato provato nell’ambito d’innumerevoli esperimenti appositamente progettati ed eseguiti al fine di verificare la predetta diseguaglianza, la meccanica quantistica puntualmente viola la condizione imposta da quest’ultima, fornendo livelli di correlazione tra particelle lontane superiori rispetto a quelli occorrenti se la diseguaglianza di Bell fosse rispettata.

Tale risultato pone innanzitutto un interrogativo di natura “filosofica”: è forse possibile che il comportamento del sistema fisico risulti in qualche maniera predeterminato, ossia indipendente dalla nostra possibilità di scegliere a piacimento le condizioni sperimentali, nel fornire il risultato ottenuto?
Oppure dobbiamo ritenere che le proprietà quantistiche misurabili delle particelle non siano “reali” (ossia inerenti la natura stesse delle medesime particelle) ma esistano “semplicemente” come risultato delle nostre percezioni (o più precisamente delle nostre misurazioni eseguite sul sistema fisico in questione)?
Se non siamo disposti a ritenere, com’è ragionevole che sia, che la realtà che sperimentiamo sia creata esclusivamente dalla nostra interazione con il mondo circostante all’atto della percezione o della misurazione, allora dobbiamo accettare la possibilità che l’interazione quantistica a distanza tra particelle intrecciate si trasmetta a una velocità superiore a quella della luce nel vuoto.

Una ricerca che connette l’entanglement ai wormholes

Nel 2013 un gruppo di ricercatori dell’Università di Washington e della Stony Brook  di New York, mostrò che il fenomeno dell’entanglement è strettamente correlato con la formazione di wormholes, termine coniato dall’astrofisico americano John Wheeler (che ha anche battezzato i buchi neri).

Un wormhole – o ponte di Einstein-Rosen – è una scorciatoia, un cunicolo nella struttura dello spazio che permette di collegare due punti molto distanti, prima che la luce abbia avuto la possibilità di arrivarci (un modo per andare indietro nel tempo attraverso una scorciatoia nello spazio). La connessione è oggetto di un articolo di Kristan Jensen e Andreas Karch pubblicato su Physical Review Letters.

Albert Einstein descriveva l’entanglement come “un’azione spettrale a distanza”; non rassegnandosi ad abbandonare la concezione classica di causalità, il padre della relatività fu per tutta la vita preoccupato dell’indeterminismo che vige nel microcosmo. Con entanglement o correlazione quantistica si intende un fenomeno, privo di qualunque analogo classico, grazie al quale non è possibile definire una singola particella come tale e come dotata di uno stato preciso; l’unica cosa che si può fare è descriverla nel sistema in cui si trova. Questo significa che, a prescindere dalle distanze, il comportamento di una coppia o gruppo di particelle influenza il comportamento delle altre. Ad esempio, se abbiamo due particelle correlate e osserviamo lo spin della prima, l’altra avrà un valore di spin opposto.

Questi comportamenti controintuitivi dal punto di vista della fisica classica sono stati studiati in un’ottica ampia in questo articolo; Kristan Jensen e Andreas Karch hanno infatti dimostrato che tutte queste caratteristiche sono paragonabili a quelle di un wormhole che connette due buchi neri in regioni remote dell’Universo. Sappiamo dalle ipotesi cosmologiche oggi in voga che in tutto l’Universo esistono buchi neri, e che sono particolarmente massicci al centro delle galassie.

L’ipotesi, per ora del tutto teorica, dei due studiosi è la seguente: se prendiamo due buchi neri “correlati” attraverso un wormhole e se poniamo due osservatori alle rispettive estremità del cunicolo allora possiamo ipotizzare che possa esservi una comunicazione o, meglio, una trasmissione dell’informazione tra queste due zone dello spazio. La stessa cosa avviene per due o più particelle entangled.

wormhole
Illustrazione semplificata di un wormhole che connette due buchi neri. (Crediti: Alan Stonebraker/American Physical Society).

Ma questo non è certamente un aspetto originale della ricerca, visto che si pone all’interno del dibattito sul noto paradosso dell’informazioneche ha visto vari studiosi dialogare con S. W. Hawking. Il punto interessante ed originale è il tentativo dei due autori di risolvere i dilemmi della causalità e del determinismo usando la geometria spazio-temporale dei wormholes. L’articolo mostra, infatti, che è possibile tracciare una forte linea di continuità tra meccanica quantistica e relatività generale, e che questo servirà non tanto per giungere ad una unificazione (forse qui prematura) quanto piuttosto per capire meglio il fenomeno dell’entanglement.

La prima foto dell’entanglement e la conferma sperimentale della violazione della disuguaglianza di Bell

L’immagine (un insieme di quattro sovrapposizioni) è stata catturata dai fisici dell’Università di Glasgow che hanno sparato dei fotoni, da una fonte quantistica di luce, su degli “oggetti non convenzionali”. Questi oggetti, formati da materiali a cristalli liquidi, sono in grado di cambiare la fase dei fotoni mentre si muovono.

entanglement foto

Infine, utilizzando una fotocamera super sensibile, gli scienziati sono riusciti a catturare l’immagine dei due fotoni “collegati”. In breve, i fotoni che non sono passati dagli oggetti non convenzionali hanno subito lo stesso un cambiamento di fase, e la fotocamera ha osservato proprio questa “magia” del mondo quantistico.

Paul-Antoine Moreau, uno dei membri del team dietro la ricerca, ha dichiarato che l’immagine è “un’elegante dimostrazione di una proprietà fondamentale della natura.” Questo risultato, considerato impossibile fino a un secolo fa (tanto che lo stesso Einstein definì l’entanglement quantistico come qualcosa di spaventoso), è uno dei tanti che renderanno possibile l’uso della tecnologia quantistica in futuro. Insomma, siamo davanti a qualcosa di epocale.

L’impigliamento che avviene tra le due particelle è stato fotografato per la prima volta sfruttando un raggio laser ultravioletto. Da quest’ultimo sono usciti dei fotoni i quali sono passati attraverso un cristallo noto per essere in grado di far impigliare tali particelle. Successivamente il fascio di luce è stato separato grazie ad un vetro e così facendo alcuni dei fotoni impigliati si sono separati.

Uno dei due fasci che si sono creati è passato attraverso un filtro che limita i fotoni ad una fase specifica mentre l’altro è passato attraverso il raggio d’azione di una fotocamera con scatto ad alta velocità. Il sensore di questo dispositivo era stato impostato perché scattasse solo nel momento del rilevamento da parte di due sensori del passaggio contemporaneo di due fotoni “entangled”. Il risultato è l’immagine che vede qua sopra.

L’esperimento nei dettagli: Per riuscire a mostrare un’immagine dell’entanglement quantistico è stato utilizzato un laser a 355 nm per emettere coppie di fotoni (a 710 nm) “legati” ma divisi spazialmente grazie a un cristallo di β-Bario Borato (BBO). A questo punto i due fotoni vengono separati da uno splitter che li invia in due sezioni ottiche distinte e non influenzabili direttamente.

entanglement quantistico

Il primo fotone è riflesso da un modulatore di luce spaziale per poi essere rilevato da un diodo. Il secondo fotone invece subisce un cambiamento di fase (sostanzialmente viene “ruotato”) per poi essere rilevato a valle. Il sistema garantisce che i due fotoni che erano legati vengano correttamente “accoppiati” garantendo così il risultato (non tutti i fotoni che passano per il secondo braccio arrivano a destinazione).

Quello che si è osservato è che anche il fotone che non avrebbe dovuto cambiare fase in quanto non passato attraverso il filtro di fase è stato influenzato (grazie all’entanglement quantistico) dall’altro fotone della coppia.

Nell’immagine più in alto si possono così vedere i risultati di questo cambiamento di fase come due forme “che si specchiano”. Se non ci fosse l’entanglement quantisticouna delle due metà non avrebbe dovuto “ruotare” rispetto all’altra, cosa che invece è accaduta come ci si sarebbe aspettati (e come confermato da altri esperimenti precedenti).

Le ricadute di questo genere di scoperte sono, per ovvi motivi, molto particolari e attualmente estremamente settoriali. Questo esperimento potrebbe portare qualche novità nel campo dei computer quantistici ma soprattutto nell’imaging quantistico (dove altre tecniche non possono essere impiegate). Non c’è invece da aspettarsi ricadute nel campo consumer, se non tra molti, molti anni.

I ricercatori forniscono una conferma sperimentale della violazione della disuguaglianza di Bell, elaborata nel 1964 dal fisico John Stewart Bell, che è considerata un importante contributo alla meccanica quantistica. Al centro di tutto c’è il fatto che la meccanica quantistica prevede l’entanglement, un fenomeno che però è incompatibile con la realtà fisica – da qui nasce un paradosso e l’incompletezza delle teorie nonché la presenza di variabili nascoste che possano spiegare questo paradosso. La violazione della disuguaglianza di Bell è di fatto una conferma dell’esistenza dell’entanglement quantistico. “Qui abbiamo illustrato un esperimento che dimostra la violazione di una disuguaglianza di Bell mediante le immagini osservate”, scrivono gli autori nel paper. “Acquisire una rappresentazione visiva di questo effetto fondamentale è una dimostrazione che le immagini possono catturare e sfruttare l’essenza del mondo quantistico”.

L’idea è che la ricerca possa essere utile per i computer quantistici. “Questo risultato da un lato apre la strada a nuovi approcci per il quantum imaging [un nuovo sotto-settore dell’ottica quantistica che si serve dell’entanglement per ottenere immagini a risoluzione più alta ndr]”, aggiungono i ricercatori, “e dall’altro si rivela promettente per schemi in cui l’informazione quantistica si basa sulle variabili spaziali”.

Un entanglement quantistico osservato su miliardi di miliardi di elettroni

Un gruppo di ricerca ha osservato l’entanglement in miliardi di miliardi di elettroni che fluiscono in un metallo strano, ovvero con particolari proprietà quanto-meccaniche e magnetiche che non si manifestano negli altri metalli. Si tratta di un caso insolito in cui l’entanglement quantistico è visibile su un flusso di elettroni in un metallo che ha subito una transizione di fase quantistica ad una temperatura dello zero assoluto. Meccanica quantistica, fisica delle particelle e dei materiali si combinano insieme in un risultato, pubblicato su Science, che potrà aprire le porte allo studio di nuove tecnologie per i computer del futuro. La ricerca complessa è frutto del lavoro degli scienziati che hanno realizzato l’esperimento, dell’università Rice, che ne dà notizia, e dell’Università tecnica di Vienna.

Anche se in assoluto non è la prima volta che miliardi di particelle risultano entangled (vedi questo studio su Nature), in questo caso la novità sta nella concezione della ricerca, nel risultato e nel materiale utilizzato. Il fisico teorico Qimiao Si dell’università Rice a Houston, coautore del paper, ha trascorso più di due decenni a studiare cosa succede quando questi metalli strani e i superconduttori ad alta temperatura cambiano la loro fase quantistica. Capire cosa accade fisicamente potrà aprire le porte a nuove tecnologie nell’informatica, nelle comunicazioni e in diversi altri settori.

Gli autori pianificavano questo test già da 15 anni, ma all’epoca non c’erano le tecnologie necessarie. Ma dal 2016 la situazione è cambiata e la strumentazione complessa (un particolare microscopio e uno spettrometro terahertz) ha consentito di realizzare l’esperimento.

I ricercatori hanno esaminato il comportamento elettronico e magnetico di uno “metallo strano”, come lo definiscono appunto gli autori, composto da itterbio, rodio e silicio. Il materiale va incontro a una transizione fra due fasi quantistiche – il passaggio fra stati (quantici) della materia che si trova a temperatura prossima allo zero assoluto – ben note agli scienziati. Nella transizione fra una fase e un’altra, cambia l’assetto magnetico del materiale e questo è alla base delle osservazioni dei ricercatori.

“Con questi metalli strani, c’è un’insolita connessione fra la resistenza elettrica e la temperatura”, spiega l’autrice Silke Bühler-Paschen dell’Università tecnica di Vienna. Al contrario di ciò che avviene in metalli come l’oro o il rame, questo collegamento non sembra dovuto ai movimenti termici degli atomi. “Ma a fluttuazioni quantistiche alla temperatura dello zero assoluto”.

Il segno distintivo, la firma che siamo al punto critico quantistico (in cui avviene questa transizione) è l’osservazione del fenomeno dell’entanglement quantistico degli elettroni. “Quando ci riferiamo all’entanglement quantistico, pensiamo a minuscoli corpi”, ha spiegato Si. “Non lo associamo a oggetti macroscopici. Ma ad un punto quantistico critico, i corpi assumono un comportamento collettivo tale da poter osservare gli effetti dell’entanglement, anche in un film metallico che contiene miliardi di miliardi di oggetti quantomeccanici”. In pratica l’entanglement è stato osservato nel materiale realizzato e non studiando fotoni con complesse apparecchiature, come in diversi esperimenti precedenti.

“L’entanglement quantistico è alla base della conservazione e dell’elaborazione dell’informazione quantistica”, ha spiegato Qimiao Si, e per questo la meccanica quantistica combinata con lo studio dei materiali rappresenta una delle frontiere tecnologiche del futuro.

L’entanglement quantistico è un complesso e misterioso fenomeno della meccanica quantistica, definito da Einstein come “spaventosa azione a distanza”. Secondo la meccanica quantistica è possibile realizzare un sistema in cui due particelle sono intrinsecamente collegate e questa unione ha effetti sul sistema fisico: qualsiasi azione o misura sulla prima ha un effetto istantaneo anche sulla seconda (e viceversa) anche se si trova a distanza. Ma oggi i ricercatori l’hanno rilevato, a coppie, su miliardi di particelle, tanto da riguardare un sistema macroscopico.

Entanglement, la sostanza di cui è fatto lo spaziotempo

MEDIAINAF TV – E se la risposta alla “domanda fondamentale sulla vita, sull’universo e tutto quanto” non fosse “42”, come calcolò in sette milioni e mezzo di anni il computer protagonista della “Guida galattica per gli autostoppisti” di Douglas Adams, bensì “entanglement”? È da decenni che fisici di tutto il pianeta sono alla ricerca della teoria con la ‘T’ maiuscola, quella in grado di far convivere meccanica quantistica e gravità – o meccanica quantistica e relatività generale, dove la gravità viene a coincidere con la geometria dello spaziotempo. Ebbene, il trait-d’union fra le due potrebbe essere proprio l’entanglement.

A sostenerlo, ricorda questa settimana un approfondimento a firma di Ron Cowen apparso sull’ultimo numero di Nature, a sostenere quest’inedito ruolo dell’entanglement, dicevamo, è il fisico della British Columbia University Mark Van Raamsdonk. Benché alieno alla nostra concezione della natura al punto da venir ripudiato dallo stesso Einstein, il fenomeno dell’entanglement fa capolino con regolarità infallibile non solo dalle equazioni della meccanica quantistica ma anche – senza mai perdere un colpo – dagli innumerevoli esperimenti che si sono susseguiti negli ultimi decenni nei laboratori di mezzo mondo. Insomma, sull’esistenza d’un legame ineffabile quanto profondo fra coppie di particelle tale da mettere in imbarazzo qualunque ragionevole assunto su causalità e località, velocità della luce in testa, sulla realtà di questa liaison dangereuse non c’è più alcun dubbio.

Nella visione di Van Raamsdonk, però, visione che poggia su entità matematiche come il cosiddetto “spazio anti-de Sitter e sulla congettura di Juan Maldacena e Leonard Susskind, l’entanglement non si limiterebbe ad essere una bizzarra proprietà della meccanica quantistica. Sarebbe nientemeno che ciò di cui è fatta la geometria dell’universo. Detto altrimenti, se già Maldacena e Susskind avevano proposto una sorta d’equivalenza fra i concetti d’entanglement e wormhole – il tunnel che collega i pozzi gravitazionali scavati nella trama dello spaziotempo in corrispondenza dei buchi neri – ebbene, le equazioni di Van Raamsdonk spostano le conseguenze di quell’equivalenza un passo più in là, facendo intravedere una corrispondenza fra entanglement e la stessa geometria dell’universo: in altre parole, nella trama dello spaziotempo, il materiale della trama sarebbe proprio l’entanglement, quella inquietante azione a distanza che tanto sconcertava Einstein.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Aspect, 1981: A. Aspect et al., Experimental Tests of Realistic Local Theories via Bell’s Theorem, Phys. Rev. Lett. 47, 460 (1981)
  2. Aspect, 1982a: A. Aspect et al., Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities, Phys. Rev. Lett. 49, 91 (1982), disponibile su https://web.archive.org/web/20050411013807/http://fangio.magnet.fsu.edu/~vlad/pr100/
  3. Aspect, 1982b: A. Aspect et al., Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers, Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982), disponibile su https://web.archive.org/web/20050411013807/http://fangio.magnet.fsu.edu/~vlad/pr100/
  4. Barrett, 2002 Quantum Nonlocality, Bell Inequalities and the Memory Loophole quant-ph/0205016 (2002).
  5. J. S. Bell, On the Einstein Podolsky Rosen Paradox, Physics 1, 195-200 (1964)
  6. J. S. Bell: On the problem of hidden variables in quantum mechanics, Rev. Mod. Phys. 38 (1966)
  7. J. S. Bell, Sul paradosso Einstein-Podolsky-Rosen, in J. S. Bell, Dicibile e indicibile in meccanica quantistica, Milano, Adelphi, 2010, pp. 20-30
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