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 si verifica perché, secondo la teoria quantistica, le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente (un concetto noto come sovrapposizione) e possono essere indissolubilmente legate, o “aggrovigliate”, anche se sono fisicamente separate.
Tre ricercatori hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica 2022 per il loro lavoro rivoluzionario nella comprensione dell’entanglement quantistico, uno dei fenomeni più sconcertanti della natura.
L’entanglement quantistico, nei termini più semplici, significa che gli aspetti di una particella di una coppia entangled dipendono dagli aspetti dell’altra particella membro della coppia, non importa quanto siano distanti tra loro o cosa si interponga tra di loro. Queste particelle potrebbero essere, ad esempio, elettroni o fotoni, e un aspetto potrebbe essere lo stato in cui si trova, ad esempio se sta “ruotando” in una direzione o nell’altra.
Grazie a strumenti sempre più precisi e affidabili e al lavoro dei premi Nobel Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, i fisici ora integrano i fenomeni quantistici nella loro conoscenza del mondo con un eccezionale grado di certezza.
Tuttavia, fino agli anni ’70 del secolo scorso, i ricercatori erano ancora divisi sul fatto che l’entanglement quantistico fosse un fenomeno reale. E per buoni motivi: chi oserebbe contraddire il grande Einstein, che ne dubitava? Ci sono voluti lo sviluppo di nuove tecnologie sperimentali e coraggiosi ricercatori per risolvere questo mistero.
Secondo la meccanica quantistica, le particelle si trovano simultaneamente in due o più stati fino a quando non vengono osservate, un effetto vividamente catturato dal famoso esperimento mentale di Schrödinger di un gatto che è allo stesso tempo vivo e morto.
Esistente in più stati contemporaneamente
Per comprendere veramente l’inquietante entanglement quantistico, è importante prima comprendere la sovrapposizione quantistica.
La sovrapposizione quantistica è l’idea che le particelle esistano in più stati contemporaneamente. Quando viene eseguita una misurazione, è come se la particella selezionasse uno degli stati nella sovrapposizione. Ad esempio, molte particelle hanno un attributo chiamato spin che viene misurato come “su” o “giù” per un dato orientamento dell’analizzatore. Ma finché non misuri lo spin di una particella, esiste simultaneamente in una sovrapposizione di spin up e spin down.
C’è una probabilità collegata a ogni stato ed è possibile prevedere il risultato medio da molte misurazioni. La probabilità che una singola misurazione sia superiore o inferiore dipende da queste probabilità, ma è essa stessa imprevedibile.
Sebbene molto strano, la matematica e un vasto numero di esperimenti hanno dimostrato che la meccanica quantistica descrive correttamente la realtà fisica.
Due particelle entangled
L’inquietudine dell’entanglement quantistico emerge dalla realtà della sovrapposizione quantistica, ed era chiara ai padri fondatori della meccanica quantistica che svilupparono la teoria negli anni ’20 e ’30.
Per creare particelle entangled essenzialmente si spezza un sistema in due, dove la somma delle parti è nota. Ad esempio, puoi dividere una particella con spin pari a zero in due particelle che avranno necessariamente spin opposti in modo che la loro somma sia zero.
Nel 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen pubblicarono un documento che descrive un esperimento mentale progettato per illustrare l’apparente assurdità dell’entanglement quantistico che sfidava una legge fondamentale dell’universo.
Una versione semplificata di questo esperimento mentale, attribuita a David Bohm, considera il decadimento di una particella chiamata mesone pi greco. Quando questa particella decade, produce un elettrone e un positrone che hanno spin opposto e si allontanano l’uno dall’altro. Pertanto, se si misura lo spin dell’elettrone verso l’alto, allora lo spin misurato del positrone potrebbe essere solo verso il basso, e viceversa. Questo è vero anche se le particelle sono distanti miliardi di chilometri.
Ciò andrebbe bene se la misurazione dello spin dell’elettrone fosse sempre Up e lo spin misurato del positrone fosse sempre stato Down. Ma a causa della meccanica quantistica, lo spin di ogni particella è in parte verso l’alto e in parte verso il basso finché non viene misurato. Solo quando si verifica 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 mezzi che si muovono più velocemente della velocità della luce. Ma secondo le leggi della fisica, niente può viaggiare più veloce della velocità della luce. Quindi, come può lo stato misurato di una particella determinare istantaneamente lo stato di un’altra particella all’altra estremità dell’universo?
I fisici negli anni ’30, incluso Einstein, hanno proposto una serie di interpretazioni alternative dell’entanglement quantistico. Hanno teorizzato che ci fosse una proprietà sconosciuta – soprannominata variabili nascoste – che determinava lo stato di una particella prima della misurazione. Ma a quel tempo, i fisici non avevano la tecnologia né una definizione di una misurazione chiara che potesse verificare se la teoria quantistica avesse bisogno di essere modificata per includere variabili nascoste.
Smentire una teoria
È stato necessario arrivare fino agli anni ’60 prima che ci fossero indizi per una 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 ora nota come disuguaglianza di Bell che è sempre corretta – e corretta solo – per le teorie delle variabili nascoste, e non sempre per la meccanica quantistica. Pertanto, se si scopre che l’equazione di Bell non è soddisfatta in un esperimento nel mondo reale, le teorie delle variabili nascoste locali possono essere escluse come spiegazione per l’entanglement quantistico.
Gli esperimenti dei premi Nobel 2022, in particolare quelli di Alain Aspect, sono stati i primi test della disuguaglianza di Bell. Gli esperimenti hanno utilizzato fotoni entangled, piuttosto che coppie di un elettrone e un positrone, come in molti esperimenti mentali. I risultati hanno definitivamente escluso l’esistenza di variabili nascoste, un misterioso attributo che predeterminerebbe gli stati delle particelle entangled. Collettivamente, questi e molti esperimenti successivi hanno confermato la meccanica quantistica. Gli oggetti possono essere correlati su grandi distanze in modi che la fisica prima della meccanica quantistica non può spiegare.
È importante sottolineare che non vi è alcun conflitto con la relatività ristretta, che vieta la comunicazione più veloce della luce. Il fatto che le misurazioni su grandi distanze siano correlate non implica che le informazioni vengano trasmesse tra le particelle. Due parti distanti che eseguono misurazioni su particelle entangled non possono utilizzare il fenomeno per trasmettere informazioni più velocemente della velocità della luce.
Oggi i fisici continuano a ricercare l’entanglement quantistico ed a indagare su potenziali applicazioni pratiche. Sebbene la meccanica quantistica possa prevedere la probabilità di una misurazione con incredibile precisione, molti ricercatori rimangono scettici sul fatto che fornisca una descrizione completa della realtà.
Una cosa è certa, però. Molto resta da dire sul misterioso mondo della meccanica quantistica.
