Cos’è l’entanglement quantistico? Un fisico spiega il concetto di “azione spettrale a distanza” di Einstein.
L’entanglement quantistico è un fenomeno in cui gli stati quantistici di due o più oggetti diventano correlati, il che significa che lo stato di un oggetto può influenzare lo stato degli altri anche se gli oggetti sono separati da grandi distanze. Ciò avviene perché, secondo la teoria quantistica, le particelle possono esistere in più stati allo stesso tempo (un concetto noto come superposizione) e possono essere inestricabilmente legate, o “entangled”, anche se sono fisicamente separate.
dr. Andreas Muller
Tre ricercatori sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica 2022 per il loro lavoro innovativo nella comprensione dell’entanglement quantistico, uno dei fenomeni più sconcertanti della natura.
L’entanglement quantistico, in termini più semplici, significa che gli aspetti di una particella di una coppia entangled dipendono dagli aspetti dell’altra particella, indipendentemente dalla distanza tra loro o da ciò che le separa. Queste particelle possono essere, ad esempio, elettroni o fotoni, e un aspetto può essere lo stato in cui si trovano, ad esempio se stanno “girando” in una direzione o in un’altra.
L’aspetto strano dell’entanglement quantistico è che quando si misura qualcosa su una particella di una coppia entangled, si sa immediatamente qualcosa sull’altra particella, anche se si trovano a milioni di anni luce di distanza. Questa strana connessione tra le due particelle è istantanea e sembra infrangere una legge fondamentale dell’universo. Per questo Albert Einstein ha definito il fenomeno “azione spettrale a distanza“.
Entanglement quantistico: nuove tecnologie sperimentali
Avendo trascorso la maggior parte di due decenni a condurre esperimenti basati sulla meccanica quantistica, sono arrivato ad accettare la sua stranezza. Grazie a strumenti sempre più precisi e affidabili e al lavoro dei premi Nobel di quest’anno, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, i fisici integrano oggi i fenomeni quantistici nella loro conoscenza del mondo con un eccezionale grado di certezza.
Tuttavia, fino agli anni ’70 i ricercatori erano ancora divisi sul fatto che l’entanglement quantistico fosse un fenomeno reale. E per buone ragioni: chi oserebbe contraddire il grande Einstein, che ne dubitava? Ci sono voluti lo sviluppo di nuove tecnologie sperimentali e ricercatori coraggiosi per mettere finalmente a tacere questo mistero.
Esistere in più stati contemporaneamente
Per capire veramente il fascino dell’entanglement quantistico, è importante comprendere prima la superposizione quantistica. La superposizione quantistica è l’idea che le particelle esistano in più stati contemporaneamente. Quando si esegue una misurazione, è come se la particella selezionasse uno degli stati della sovrapposizione.
Ad esempio, molte particelle hanno un attributo chiamato spin che viene misurato come “alto” o “basso” per un determinato orientamento dell’analizzatore. Ma finché non si misura lo spin di una particella, questa esiste contemporaneamente in una sovrapposizione di spin up e spin down.
A ogni stato è associata una probabilità ed è possibile prevedere il risultato medio di molte misurazioni. La probabilità che una singola misurazione sia positiva o negativa dipende da queste probabilità, ma è di per sé imprevedibile.
Anche se molto strana, la matematica e un gran numero di esperimenti hanno dimostrato che la meccanica quantistica descrive correttamente la realtà fisica.
Due particelle entangled
L’inquietudine dell’entanglement quantistico deriva dalla realtà della superposizione quantistica ed era chiara ai padri fondatori della meccanica quantistica che svilupparono la teoria negli anni Venti e Trenta.
Per creare particelle entangled è necessario essenzialmente spezzare un sistema in due, dove la somma delle parti è nota. Ad esempio, è possibile dividere una particella con spin pari a zero in due particelle che avranno necessariamente spin opposti, in modo che la loro somma sia pari a zero.
Nel 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen pubblicarono un articolo che descriveva un esperimento di pensiero progettato per illustrare un’apparente assurdità dell’entanglement quantistico che metteva in discussione una legge fondamentale dell’universo.
Una versione semplificata di questo esperimento di pensiero, attribuita a David Bohm, considera il decadimento di una particella chiamata mesone pi. Quando questa particella decade, produce un elettrone e un positrone che hanno spin opposti e si allontanano l’uno dall’altro. Pertanto, se lo spin dell’elettrone viene misurato come alto, lo spin misurato del positrone non può che essere basso, e viceversa. Questo è vero anche se le particelle sono distanti miliardi di chilometri.
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Questo andrebbe bene se la misurazione dello spin dell’elettrone fosse sempre verso l’alto e quella del positrone verso il basso. Ma, a causa della meccanica quantistica, lo spin di ogni particella è in parte alto e in parte basso finché non viene misurato. Solo quando avviene la misurazione, lo stato quantico dello spin “collassa” in alto o in basso, facendo collassare istantaneamente l’altra particella nello spin opposto. Questo sembra suggerire che le particelle comunichino tra loro attraverso qualche mezzo che si muove più velocemente della luce. Ma secondo le leggi della fisica, nulla può viaggiare più veloce della luce. Sicuramente lo stato misurato di una particella non può determinare istantaneamente lo stato di un’altra particella all’estremità dell’universo?
Negli anni Trenta i fisici, tra cui Einstein, proposero una serie di interpretazioni alternative dell’entanglement quantistico. Essi ipotizzavano l’esistenza di alcune proprietà sconosciute – soprannominate variabili nascoste – che determinavano lo stato di una particella prima della misurazione. Ma all’epoca i fisici non disponevano della tecnologia né della definizione di una misura chiara che potesse verificare se la teoria quantistica dovesse essere modificata per includere le variabili nascoste.
Dimostrare una teoria
Si dovette attendere fino agli anni Sessanta per avere qualche indizio di risposta. John Bell, un brillante fisico irlandese che non visse abbastanza per ricevere il Premio Nobel, ideò uno schema per verificare se la nozione di variabili nascoste avesse senso.
Bell produsse un’equazione oggi nota come disuguaglianza di Bell che è sempre corretta – e solo corretta – per le teorie a variabili nascoste, e non sempre per la meccanica quantistica. Pertanto, se si scopre che l’equazione di Bell non è soddisfatta in un esperimento del mondo reale, le teorie locali a variabili nascoste possono essere escluse come spiegazione dell’entanglement quantistico.
Gli esperimenti dei 2022 premi Nobel, in particolare quelli di Alain Aspect, sono stati i primi a testare la disuguaglianza di Bell. Gli esperimenti hanno utilizzato fotoni entanglement, piuttosto che coppie di elettroni e positroni, come in molti esperimenti di pensiero. I risultati escludono definitivamente l’esistenza di variabili nascoste, un attributo misterioso che predeterminerebbe gli stati delle particelle entangled. Nel complesso, questi e molti altri esperimenti successivi hanno confermato la validità della meccanica quantistica. Gli oggetti possono essere correlati a grandi distanze in modi che la fisica precedente alla meccanica quantistica non era in grado di spiegare.
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Inoltre, non c’è alcun conflitto con la relatività speciale, che vieta la comunicazione più veloce della luce. Il fatto che le misure su grandi distanze siano correlate non implica che le informazioni vengano trasmesse tra le particelle. Due soggetti distanti tra loro che effettuano misurazioni su particelle entangled non possono sfruttare il fenomeno per trasmettere informazioni a una velocità superiore a quella della luce.
Oggi i fisici continuano a ricercare l’entanglement quantistico e a studiare le potenziali applicazioni pratiche. Sebbene la meccanica quantistica sia in grado di prevedere la probabilità di una misurazione con incredibile precisione, molti ricercatori rimangono scettici sul fatto che fornisca una descrizione completa della realtà. Una cosa però è certa. C’è ancora molto da dire sul misterioso mondo della meccanica quantistica.
Nota: Scritto da Andreas Muller, professore associato di fisica presso la University of South Florida.
Questo articolo è stato pubblicato per la prima volta su The Conversation.
