Il ventunesimo secolo è stato senza dubbio l’era della scienza quantistica. La meccanica quantistica è nata all’inizio del XX secolo ed è stata utilizzata per sviluppare tecnologie senza precedenti che includono informazioni quantistiche, comunicazione quantistica, metrologia quantistica, imaging quantistico e rilevamento quantistico.
Tuttavia, nella fisica quantistica, ci sono ancora questioni irrisolte e persino incomprensibili come la dualità e la complementarità onda-particella, la sovrapposizione delle funzioni d’onda, il collasso della funzione d’onda dopo la misurazione quantistica, l’entanglement della funzione d’onda e la funzione d’onda composita, ecc.
Per testare quantitativamente il principio fondamentale della dualità e della complementarità onda-particella, è necessario un sistema composito quantistico che possa essere controllato da parametri sperimentali. Finora, ci sono state diverse proposte teoriche dopo che Neils Bohr ha introdotto il concetto di “complementarità” nel 1928, ma solo poche idee sono state testate sperimentalmente, rilevando modelli di interferenza con bassa visibilità.
Pertanto, il concetto di complementarità e dualità onda-particella rimane ancora sfuggente e non è stato ancora pienamente confermato sperimentalmente.
La relazione di complementarità della dualità onda-particella viene analizzata quantitativamente con fotoni entangled come rivelatori di percorso.
Per affrontare questo problema, un team di ricerca dell’Institute for Basic Science (IBS, Corea del Sud) ha costruito un interferometro a doppio percorso costituito da due cristalli parametrici di downconversion seminati da campi di rinvio coerenti.
Il dispositivo genera fotoni di segnale coerenti (quantoni) che vengono utilizzati per la misurazione dell’interferenza quantistica. I quantoni quindi percorrono due percorsi separati prima di raggiungere il rivelatore. I campi idler coniugati vengono utilizzati per estrarre informazioni sul percorso con fedeltà controllabile, utile per chiarire quantitativamente la complementarità.
In un esperimento reale, la sorgente dei quantoni non è pura a causa del suo entanglement con i restanti gradi di libertà. Tuttavia, la purezza della sorgente dei quantoni è strettamente legata all’entanglement tra i quantoni generati e tutti gli altri gradi di libertà rimanenti dalla relazione μ s = √ (1 – E 2 ), che i ricercatori hanno confermato sperimentalmente.
La dualità onda-particella e la complementarità quantitativa P 2 + V 2 = μ s 2 ( P , prevedibilità a priori ; V , visibilità) sono state analizzate e testate utilizzando il sistema ENBS (entangled nonlinear bi-photon source), in cui la sovrapposizione afferma che i quantoni sono quantisticamente entangled con stati idler coniugati in modo controllabile.
È stato dimostrato che a priori prevedibilità e visibilità, entanglement (quindi purezza della sorgente e fedeltà nel nostro modello ENBS), dipendono strettamente dai numeri di fotoni del fascio di semi. Ciò indica la potenziale applicazione di questo approccio per la preparazione di stati di fotoni entangled distanti.
Richard Feynman affermò che il trucco per risolvere il puzzle della meccanica quantistica risiede nella comprensione dell’esperimento della doppia fenditura.
Si prevede che l’interpretazione basata sugli esperimenti di interferometria a doppio percorso con ENBS avrà implicazioni fondamentali per una migliore comprensione quantitativa del principio di complementarità e della relazione di dualità onda-particella.
Interpretazioni
La peculiarità degli esperimenti d’interferenza sin qui discussi ha motivato diverse interpretazioni dei risultati.
Una possibile interpretazione, ancora legata alle categorie classiche di onda e particella, ne descrive gli esiti come dovuti a due modalità diverse:
- una propagazione ondulatoria nello spazio tra la sorgente, la doppia fenditura e lo schermo;
- seguita da una rilevazione puntiforme dell’impatto della particella sullo schermo.
Ovviamente nessun ente classico mostra un simile comportamento duale, caratteristico dei sistemi quantistici.
Secondo altre analisi, i concetti classici di onda e particella vanno utilizzati contemporaneamente per comprendere come avvenga l’interferenza da doppia fenditura. Su questa linea si sono sviluppate interpretazioni della meccanica quantistica alternative a quella usuale di Copenaghen, quale l’interpretazione di Bohm, che riprende in chiave aggiornata l’idea dell’onda pilota di De Broglie.
Da un punto di vista sperimentale non è possibile stabilire quale sia l’interpretazione corretta tra le due, empiricamente equivalenti in quanto basate sul medesimo formalismo, l’equazione di Schrödinger. La differenza tra le due interpretazioni è di tipo euristico. Si basa, in questo caso, sull’adeguatezza o meno nel fornire una spiegazione (al comportamento dei sistemi quantistici, che differisce profondamente da quello dagli enti (onde e particelle) della fisica classica.
Un terzo possibile approccio sostiene che i concetti classici di onda e particella vanno superati, per poter descrivere gli esiti sperimentali che sfuggono al senso comune. Si sono quindi elaborate categorie concettuali non classiche (quantone) per descrivere i fenomeni quantistici. Il superamento del principio di complementarità mediante la disuguaglianza di Greenberger e Yasin porta ad identificare come quantoni (che si distinguono ulteriormente in bosoni e fermioni) tutti gli enti quantici: fotoni, elettroni, neutroni, ecc… :
