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Il Nobel della fisica a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger per i loro studi sull'entanglement quantistico.
Nobel per la fisica 2022: Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger. Immagine tratta da focus.it L'entanglement (intreccio, aggroviglio) quantistico è il fenomeno fisico che si verifica quando un gruppo di particelle viene generato, interagisce o condivide la vicinanza spaziale in modo tale che lo stato quantistico di ciascuna particella del gruppo non possa essere descritto indipendentemente dallo stato delle altre, anche quando le particelle sono separate da una grande distanza. Ma non tutte le particelle sono "entangled", ovvero aggrovigliate. Affinché questa correlazione abbia luogo, cioè per far sì che due particelle abbiano stati quantici correlati, queste due particelle devono essere prodotte simultaneamente da un'interazione fisica.
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 formularono il paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (paradosso EPR), un esperimento mentale che tentò di dimostrare che "la descrizione quanto-meccanica 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 consideravano. Avendo letto l'articolo EPR, Erwin Schrödinger scrisse una lettera a Einstein in tedesco in cui usava la parola Verschränkung (tradotta da lui stesso come entanglement) "per descrivere le correlazioni tra due particelle che interagiscono e poi si separano, come nell'esperimento EPR". Il principio di località Il teorema di Bell l teorema di Bell afferma, nella forma più immediata, che nessuna teoria fisica locale a variabili nascoste può riprodurre le predizioni della meccanica quantistica. Elaborato da John Stewart Bell, è considerato un importante contributo a favore della meccanica quantistica, in particolare del suo carattere controintuitivo nel rifiuto della località, toccando questioni fondamentali per la filosofia della fisica moderna. Il teoprema con parole semplici La decoerenza qiuantistica La conservazione dello spin Nel maggio del 1935 la rivista Physical Review pubblicò un articolo intitolato “Può la descrizione quantomeccanica della realtà fisica considerarsi completa?”. In tale occasione venne presentato quello che da quel momento in poi sarà conosciuto come Paradosso EPR, dalle iniziali degli autori Albert Einstein, Boris Podolski e Nathan Rosen. Il concetto alla base di questo paradosso è che se si prende una particella elementare, priva di spin e la si scinde in due parti, succede che una deve avere uno spin +1/2 e l’altra inevitabilmente uno spin -1/2, al fine di garantire la legge di conservazione dello spin, che deve dare una somma pari a zero: in virtù di ciò, ci si aspetta che, qualora tali particelle vengano mandate in direzioni opposte fino a raggiungere distanze grandissime (a distanze cosmiche, per esempio), lo spin totale resti zero. In pratica, nel momento in cui viene effettuata una misura su una delle due particelle, si determina il collasso della funzione d’onda che ne descrive lo stato quantico, rendendo manifesta una delle sue proprietà come ad esempio lo spin, ma allo stesso esatto momento l’operazione della misura sulla prima particella influenzerà istantaneamente l’altra particella a qualunque distanza essa si trovi dalla prima, la cui funzione d’onda anch’essa collasserà rendendo manifesta la sua proprietà. Chiaramente questo si potrà sapere solo al momento della misurazione, dal momento che prima di essa le due possibilità – per ciascuna delle due particelle – saranno tra loro sovrapposte come osservato da Schrödinger. Si supponga a questo punto di invertire il segno dello spin di una delle due particelle: per garantire la legge di conservazione dello spin dovrebbe istantaneamente cambiare il segno dello spin dell'altra particella. Proprio qui però sorge il paradosso: nel tentativo di garantire il soddisfacimento della legge di conservazione dello spin viene violato il più grande dei pilastri della Teoria della Relatività che afferma che per i segnali è impossibile una propagazione istantanea ma solo a una velocità finita, ovvero quella della luce. Il tentativo della seconda particella di cambiare simultaneamente il proprio spin per rispondere al cambio di configurazione dello spin della prima particella genera un evento non-locale, ovvero istantaneo, totalmente imprevisto dalla fisica classica. Il concetto di non-località implica che oggetti distanti sono tra loro collegati in maniera che la fisica classica è incapace di spiegare: attraverso l’intreccio quantistico (o entanglement). Significato di entanglement Un sistema entangled è definito come uno il cui stato quantistico non può essere fattorizzato come un prodotto di stati dei suoi costituenti locali; vale a dire, non sono singole particelle ma sono un tutto inseparabile. Nell'entanglement, un costituente non può essere completamente descritto senza considerare l'altro. Lo stato di un sistema composito è sempre esprimibile come somma, o sovrapposizione, di prodotti di stati di costituenti locali; è impigliato se questa somma non può essere scritta come un singolo termine di prodotto. I sistemi quantistici possono rimanere impigliati attraverso vari tipi di interazioni. L'entanglement si rompe quando le particelle impigliate subiscono la decoerenza quantistica attraverso l'interazione con l'ambiente; ad esempio, quando viene effettuata una misurazione. Come esempio di entanglement: una particella subatomica decade in una coppia impigliata di altre particelle. Gli eventi di decadimento obbediscono alle varie leggi di conservazione e, di conseguenza, i risultati della misurazione di una particella figlia devono essere altamente correlati con i risultati di misurazione dell'altra particella figlia (in modo che il momento totale, il momento angolare, l'energia e così via rimangano all'incirca gli stessi prima e dopo questo processo). Ad esempio, una particella spin-zero potrebbe decadere in una coppia di particelle spin -1/2 e +1/2.. Poiché lo spin totale prima e dopo questo decadimento deve essere zero (conservazione del momento angolare), ogni volta che la prima particella viene misurata per essere spin up su un asse, l'altra, quando misurata sullo stesso asse, si trova sempre ad essere spin down. (Questo è chiamato caso anti-correlato di spin; e se le probabilità precedenti per misurare ogni spin sono uguali, si dice che la coppia si trova nello stato singoletto.) Il risultato di cui sopra può o non può essere percepito come sorprendente. Un sistema classico mostrerebbe la stessa proprietà, e una teoria delle variabili nascoste sarebbe certamente necessaria per farlo, basata sulla conservazione del momento angolare nella meccanica classica e quantistica allo stesso modo. La differenza è che un sistema classico ha valori definiti per tutti gli osservabili da sempre, mentre il sistema quantistico no. In un certo senso, il sistema quantistico qui considerato sembra acquisire una distribuzione di probabilità per il risultato di una misurazione dello spin lungo qualsiasi asse dell'altra particella alla misurazione della prima particella. Questa distribuzione di probabilità è in generale diversa da quella che sarebbe senza la misurazione della prima particella. Questo può certamente essere percepito come sorprendente nel caso di particelle entangled spazialmente separate. Paradosso Il paradosso è che una misurazione effettuata su una delle particelle apparentemente collassa lo stato dell'intero sistema entangled – e lo fa istantaneamente, prima che qualsiasi informazione sul risultato della misurazione possa essere stata comunicata all'altra particella (supponendo che l'informazione non possa viaggiare più velocemente della luce) e quindi ha assicurato il risultato "corretto" della misurazione dell'altra parte della coppia entangled. Nell'interpretazione di Copenaghen, il risultato di una misurazione di spin su una delle particelle è un collasso in uno stato in cui ogni particella ha uno spin definito (su o giù) lungo l'asse di misura. Il risultato è considerato casuale, con ogni possibilità che ha una probabilità del 50%. Tuttavia, se entrambi gli spin sono misurati lungo lo stesso asse, si scopre che sono anti-correlati. Ciò significa che il risultato casuale della misurazione effettuata su una particella sembra essere stato trasmesso all'altra, in modo che possa fare la "scelta giusta" quando anch'essa viene misurata. La distanza e la tempistica delle misurazioni possono essere scelte in modo da rendere l'intervallo tra le due misurazioni simile allo spazio, quindi, qualsiasi effetto causale che collega gli eventi dovrebbe viaggiare più velocemente della luce. Secondo i principi della relatività ristretta, non è possibile che alcuna informazione viaggi tra due di questi eventi di misurazione. Non è nemmeno possibile dire quale delle misurazioni è arrivata prima. Per due eventi separati simili allo spazio x1 e x2 ci sono fotogrammi inerziali in cui x1 è il primo e altri in cui x2 è il primo. Pertanto, la correlazione tra le due misurazioni non può essere spiegata come una misura che determina l'altra: osservatori diversi non sarebbero d'accordo sul ruolo di causa ed effetto. (In effetti paradossi simili possono sorgere anche senza entanglement: la posizione di una singola particella è distribuita nello spazio, e due rivelatori ampiamente separati che tentano di rilevare la particella in due luoghi diversi devono raggiungere istantaneamente una correlazione appropriata, in modo che entrambi non rilevino la particella.) Teoria delle variabili nascoste Una possibile risoluzione al paradosso è assumere che la teoria quantistica sia incompleta e che il risultato delle misurazioni dipenda da "variabili nascoste" predeterminate. Lo stato delle particelle misurate conterrebbe alcune variabili nascoste, i cui valori determinano efficacemente, fin dal momento della separazione, quali saranno i risultati delle misurazioni di spin. Ciò significherebbe che ogni particella porta con sé tutte le informazioni richieste e nulla deve essere trasmesso da una particella all'altra al momento della misurazione. Einstein e altri originariamente credevano che questa fosse l'unica via d'uscita dal paradosso, e la descrizione della meccanica quantistica accettata (con un risultato di misurazione casuale) doveva essere incompleta. Violazioni della disuguaglianza di Bell Le teorie delle variabili nascoste locali falliscono, tuttavia, quando vengono considerate le misurazioni dello spin di particelle entangled lungo assi diversi. Se viene effettuato un gran numero di coppie di tali misurazioni (su un gran numero di coppie di particelle entangled), allora statisticamente, se la visione delle variabili realiste o nascoste locali fosse corretta, i risultati soddisferebbero sempre la disuguaglianza di Bell. Un certo numero di esperimenti hanno dimostrato in pratica che la disuguaglianza di Bell non è soddisfatta. Tuttavia, prima del 2015, tutti questi avevano problemi di scappatoia che erano considerati i più importanti dalla comunità dei fisici. Quando le misurazioni delle particelle entangled vengono effettuate in sistemi di riferimento relativistici in movimento, in cui ogni misurazione (nel proprio intervallo di tempo relativistico) avviene prima dell'altra, i risultati della misurazione rimangono correlati. Il problema fondamentale della misurazione dello spin lungo assi diversi è che queste misurazioni non possono avere valori definiti allo stesso tempo: sono incompatibili nel senso che la massima precisione simultanea di queste misurazioni è limitata dal principio di indeterminazione. Ciò è contrario a quanto si trova nella fisica classica, dove qualsiasi numero di proprietà può essere misurato simultaneamente con precisione arbitraria. È stato dimostrato matematicamente che le misurazioni compatibili non possono mostrare correlazioni che violano la disuguaglianza di Bell, e quindi l'entanglement è un fenomeno fondamentalmente non classico. Notevoli risultati sperimentali che dimostrano l'entanglement quantistico Il primo esperimento che ha verificato l'azione spettrale di Einstein a distanza o entanglement è stato confermato con successo in un laboratorio da Chien-Shiung Wu e un collega di nome I. Shaknov nel 1949, ed è stato pubblicato il giorno di Capodanno nel 1950. Il risultato ha dimostrato specificamente le correlazioni quantistiche di una coppia di fotoni. Negli esperimenti del 2012 e del 2013, è stata creata una correlazione di polarizzazione tra fotoni che non hanno mai coesistito nel tempo. Gli autori hanno affermato che questo risultato è stato ottenuto scambiando l'entanglement tra due coppie di fotoni entangled dopo aver misurato la polarizzazione di un fotone della coppia iniziale, e che dimostra che la non-località quantistica si applica non solo allo spazio ma anche al tempo. In tre esperimenti indipendenti nel 2013 è stato dimostrato che gli stati quantistici separabili comunicati classicamente possono essere utilizzati per trasportare stati entangled. Il primo test Bell senza scappatoie è stato tenuto da Ronald Hanson della Delft University of Technology nel 2015, confermando la violazione della disuguaglianza di Bell. Nell'agosto 2014, la ricercatrice brasiliana Gabriela Barreto Lemos e il team sono stati in grado di "scattare foto" di oggetti usando fotoni che non avevano interagito con i soggetti, ma erano impigliati con fotoni che interagivano con tali oggetti. Lemos, dell'Università di Vienna, è fiducioso che questa nuova tecnica di imaging quantistico potrebbe trovare applicazione dove l'imaging in condizioni di scarsa illuminazione è imperativo, in campi come l'imaging biologico o medico. Dal 2016 varie aziende come IBM, Microsoft ecc. hanno creato con successo computer quantistici e hanno permesso a sviluppatori e appassionati di tecnologia di sperimentare apertamente concetti di meccanica quantistica tra cui l'entanglement quantistico. Mistero del tempo Ci sono stati suggerimenti per guardare al concetto di tempo come un fenomeno emergente che è un effetto collaterale dell'entanglement quantistico. In altre parole, il tempo è un fenomeno di entanglement, che colloca tutte le letture uguali dell'orologio (di orologi correttamente preparati, o di qualsiasi oggetto utilizzabile come orologi) nella stessa storia. Questo è stato completamente teorizzato per la prima volta da Don Page e William Wootters nel 1983. L'equazione di Wheeler-DeWitt che combina la relatività generale e la meccanica quantistica – tralasciando del tutto il tempo – è stata introdotta nel 1960 ed è stata ripresa nel 1983, quando Page e Wootters hanno fatto una soluzione basata sull'entanglement quantistico. Page e Wootters hanno sostenuto che l'entanglement può essere usato per misurare il tempo. Sulla base della corrispondenza AdS/CFT, Mark Van Raamsdonk ha suggerito che lo spazio-tempo sorge come un fenomeno emergente dei gradi quantistici di libertà che sono impigliati e vivono al confine dello spazio-tempo. La gravità indotta può emergere dalla prima legge dell'entanglement. IL NOBEL Il Nobel per la Fisica 2022 va a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger "per i loro esperimenti con l'entanglement dei fotoni, che hanno permesso di stabilire la violazione delle diseguaglianze di Bell e per i lavori pionieristici nel campo della scienza dell'informazione quantistica". Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger hanno condotto esperimenti rivoluzionari usando stati di entanglement quantistico, che, come visto, è il caso in cui due particelle si comportano come un'unità singola anche quando sono separate. I risultati dei loro studi hanno aperto la strada a una nuova tecnologia basata sull'informazione quantistica. Le coppie di particelle in entanglement si possono paragonare a palle di colori opposti lanciate in opposte direzioni. Quando Bob (nel disegno) ne afferra una e vede che è nera, sa immediatamente che Alice ne ha ricevuta una bianca. Secondo la teoria delle variabili nascoste, le palle contengono informazioni intrinseche che dicono loro quale colore mostrare. Tuttavia per la meccanica quantistica le palle sono grigie finché qualcuno non le guarda, e a quel punto una delle due prende casualmente il colore bianco e l'altra il nero. Grazie agli studi dei vincitori del Nobel sappiamo che la natura si comporta come previsto dalla meccanica quantistica: per mantenere il nostro esempio, le palle sono grigie finché qualcuno non le guarda, e non contengono istruzioni nascoste che ne determinino il colore. Il gatto di Schrödinger Il paradosso del gatto di Schrödinger è un esperimento mentale ideato nel 1935 da Erwin Schrödinger, con lo scopo di illustrare come la meccanica quantistica fornisca risultati paradossali se applicata a un sistema fisico macroscopico. Andando decisamente contro il senso comune, esso descrive un apparato sperimentale in cui un gatto è in uno stato di sovrapposizione quantistica, nel quale le condizioni di gatto vivo e morto sono entrambe presenti contemporaneamente; questo come conseguenza dell'essere collegato a un evento subatomico casuale che può verificarsi con una certa probabilità. L'esperimento fu elaborato nel contesto della discussione sul paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), che criticava come paradossale una caratteristica fondamentale dei sistemi quantistici secondo l'interpretazione di Copenaghen, nota, appunto, come entanglement quantistico. Schrödinger, che condivideva lo scetticismo verso l'interpretazione di Copenaghen, fece notare un altro aspetto problematico: il principio di sovrapposizione, uno dei cardini della meccanica quantistica, il quale afferma che se un sistema può trovarsi in due stati distinti, può trovarsi anche in una qualsiasi loro combinazione lineare; se però si esegue un'osservazione del sistema, questo viene indotto ad assumere uno stato determinato. Secondo Schrödinger, questo principio e il concetto di entanglement avevano conseguenze potenzialmente paradossali. «Si possono anche costruire casi del tutto burleschi. Si rinchiuda un gatto in una scatola d'acciaio insieme alla seguente macchina infernale (che occorre proteggere dalla possibilità d'essere afferrata direttamente dal gatto): in un contatore Geiger si trova una minuscola porzione di sostanza radioattiva, così poca che nel corso di un'ora forse uno dei suoi atomi si disintegrerà, ma anche, in modo parimenti probabile, nessuno; se l'evento si verifica il contatore lo segnala e aziona un relais di un martelletto che rompe una fiala con del cianuro. Dopo avere lasciato indisturbato questo intero sistema per un'ora, si direbbe che il gatto è ancora vivo se nel frattempo nessun atomo si fosse disintegrato, mentre la prima disintegrazione atomica lo avrebbe avvelenato. La funzione Psi dell'intero sistema porta ad affermare che in essa il gatto vivo e il gatto morto non sono degli stati puri, ma miscelati con uguale peso.» (Erwin Schrödinger)
La struttura dell'apparato sperimentale ideata da Schrödinger. Apparentemente, il gatto può essere contemporaneamente vivo e morto. Un team dell'Università di Glasgow ha creato un sistema per fotografare quello che succede nell'entanglement quantistico attraverso una complessa strumentazione, rappresentata in figura. (foto: Moreau et al., Science Advances, 2019). La fotocamera (ICCD) è stata in grado di catturare le immagini dei fotoni nello stesso istante e ha mostrato che queste particelle, pur essendo separate e distanti, si erano spostate nello stesso modo. In pratica, erano entangled e le immagini lo dimostrano. “Si tratta di un'elegante dimostrazione di una proprietà fondamentale in natura”, ha commentato sulle pagine della Bbc Paul-Antoine Moreau, primo autore del paper, che ha coordinato lo studio insieme a Miles J. Padgett, co-primo autore. “Si tratta di un risultato entusiasmante – prosegue Moreau – che potrebbe essere utilizzato per far avanzare il campo di ricerca emergente del quantum computing e per portare a nuovi tipi di imaging”. I ricercatori forniscono una conferma sperimentale della violazione della disuguaglianza di Bell. 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”. Fisica e metafisica
Ma cosa si avrebbe se l’entanglement si verificasse anche su intervalli di tempo? Esisterebbe anche una non localizzazione temporale?
La risposta è positiva. Proprio quando si pensava che la meccanica quantistica avesse esaurito tutte le sue stranezze, nel 2013 un gruppo di fisici della Hebrew University di Gerusalemme ha affermato di aver correlato con successo dei fotoni che non si erano mai incontrati.
Precedenti esperimenti effettuati con la tecnica dello scambio di correlazione avevano già dimostrato l’esistenza di una correlazione quantistica nel tempo, ritardando il rilevamento di una delle particelle correlate e interagenti; ma Eli Megidish e i suoi collaboratori sono stati i primi a dimostrare l’entanglement tra fotoni che non si erano mai sovrapposti. Ecco come hanno operato.
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