L'entanglement quantistico rimane uno dei campi di studio più impegnativi per i fisici moderni. Descritto da Einstein come "azione spettrale a distanza", gli scienziati hanno cercato a lungo di conciliare come questo aspetto della meccanica quantistica possa coesistere con la meccanica classica. In sostanza, il fatto che due particelle possano essere collegate a grandi distanze viola le regole della località e del realismo.
Formalmente, questa è una violazione dell'iniquità di Bell, una teoria che è stata usata per decenni per dimostrare che la località e il realismo sono validi nonostante siano incompatibili con la meccanica quantistica. Tuttavia, in un recente studio, un team di ricercatori dell'Università Ludwig-Maximilian (LMU) e del Max Planck Institute for Quantum Optics di Monaco di Baviera ha condotto test che violano ancora una volta la disuguaglianza di Bell e dimostrano l'esistenza di entanglement.
Il loro studio, intitolato "Test della campana pronto per gli eventi usando atomi aggrovigliati che chiudono simultaneamente le falle di rilevazione e localizzazione", è stato recentemente pubblicato nella Lettere di revisione fisica. Guidato da Wenjamin Rosenfeld, un fisico della LMU e del Max Planck Institute for Quantum Optics, il team ha cercato di testare la disuguaglianza di Bell intrecciando due particelle a distanza.
La disuguaglianza di Bell (dal nome del fisico irlandese John Bell, che lo propose nel 1964) afferma essenzialmente che le proprietà degli oggetti esistono indipendentemente dall'osservazione (realismo) e che nessuna informazione o influenza fisica può propagarsi più velocemente della velocità della luce (località). Queste regole descrivevano perfettamente la realtà che sperimentiamo quotidianamente gli esseri umani, dove le cose sono radicate in un particolare spazio e tempo ed esistono indipendentemente da un osservatore.
Tuttavia, a livello quantico, le cose non sembrano seguire queste regole. Non solo le particelle possono essere collegate in modo non locale su grandi distanze (cioè entanglement), ma le proprietà di queste particelle non possono essere definite fino a quando non vengono misurate. E mentre tutti gli esperimenti hanno confermato che le previsioni della meccanica quantistica sono corrette, alcuni scienziati hanno continuato a sostenere che esistono scappatoie che consentono il realismo locale.
Per risolvere questo problema, il team di Monaco ha condotto un esperimento utilizzando due laboratori presso la LMU. Mentre il primo laboratorio si trovava nel seminterrato del dipartimento di fisica, il secondo si trovava nel seminterrato del dipartimento di economia - a circa 400 metri di distanza. In entrambi i laboratori, i team hanno catturato un singolo atomo di rubidio in una trappola topica e poi hanno iniziato a eccitarli fino a quando non hanno rilasciato un singolo fotone.
Come ha spiegato il dott. Wenjamin Rosenfeld in un comunicato stampa del Max Planck Institute:
“Le nostre due stazioni di osservazione sono gestite in modo indipendente e sono dotate di propri sistemi laser e di controllo. A causa della distanza di 400 metri tra i laboratori, la comunicazione dall'uno all'altro richiederebbe 1328 nanosecondi, che è molto più della durata del processo di misurazione. Pertanto, nessuna informazione sulla misurazione in un laboratorio può essere utilizzata nell'altro laboratorio. È così che chiudiamo la scappatoia della località ".
Una volta che i due atomi di rubidio furono eccitati fino al punto di rilasciare un fotone, gli stati di spin degli atomi di rubidio e gli stati di polarizzazione dei fotoni furono effettivamente intrecciati. I fotoni sono stati quindi accoppiati in fibre ottiche e guidati verso un allestimento in cui sono stati portati all'interferenza. Dopo aver condotto una serie di misurazioni per otto giorni, gli scienziati sono stati in grado di raccogliere circa 10.000 eventi per verificare la presenza di segni.
Ciò sarebbe stato indicato dagli spin dei due atomi di rubidio intrappolati, che avrebbero puntato nella stessa direzione (o nella direzione opposta, a seconda del tipo di entanglement). Ciò che il team di Monaco ha scoperto è che per la stragrande maggioranza degli eventi gli atomi erano nello stesso stato (o nello stato opposto) e che c'erano solo sei deviazioni coerenti con la disuguaglianza di Bell.
Questi risultati erano anche statisticamente più significativi di quelli ottenuti da un team di fisici olandesi nel 2015. Per motivi di quello studio, il team olandese ha condotto esperimenti usando elettroni nei diamanti in laboratori distanti 1,3 km. Alla fine, i loro risultati (e altri test recenti della disuguaglianza di Bell) hanno dimostrato che l'entanglement quantistico è reale, chiudendo efficacemente la scappatoia del realismo locale.
Come ha spiegato Wenjamin Rosenfeld, anche i test condotti dal suo team sono andati oltre questi altri esperimenti affrontando un altro importante problema. "Siamo stati in grado di determinare lo stato di spin degli atomi in modo molto rapido ed efficiente", ha affermato. "Con ciò abbiamo chiuso una seconda potenziale scappatoia: il presupposto, che la violazione osservata è causata da un campione incompleto di coppie di atomi rilevate".
Ottenendo la prova della violazione della disuguaglianza di Bell, gli scienziati non stanno solo aiutando a risolvere un'incongruenza duratura tra fisica classica e fisica quantistica. Stanno anche aprendo la porta ad alcune eccitanti possibilità. Ad esempio, per anni, gli scienziati hanno anticipato lo sviluppo di processori quantistici, che si basano su entanglement per simulare gli zeri e quelli del codice binario.
I computer che si affidano alla meccanica quantistica sarebbero esponenzialmente più veloci dei microprocessori convenzionali e inaugurerebbero una nuova era di ricerca e sviluppo. Gli stessi principi sono stati proposti per la sicurezza informatica, in cui la crittografia quantistica verrebbe utilizzata per crittografare le informazioni, rendendole invulnerabili agli hacker che si affidano ai computer convenzionali.
Infine, ma certamente non meno importante, esiste il concetto di Quantum Entanglement Communications, un metodo che ci consentirebbe di trasmettere informazioni più velocemente della velocità della luce. Immagina le possibilità di viaggiare nello spazio e di esplorazione se non siamo più vincolati dai limiti della comunicazione relativistica!
Einstein non si sbagliava quando caratterizzava gli entanglement quantistici come "azione spettrale". In effetti, molte delle implicazioni di questi fenomeni sono ancora spaventose quanto affascinanti per i fisici. Ma più ci avviciniamo a comprenderlo, più saremo vicini allo sviluppo di una comprensione di come tutte le forze fisiche conosciute dell'Universo si incastrano - aka. una teoria di tutto!
