Correlazioni quantistiche su scala macroscopica

Una delle caratteristiche fondamentali della fisica quantistica è la non località di Bell: il fatto che le previsioni della meccanica quantistica non possono essere spiegate da alcuna teoria locale (classica). Ciò ha notevoli conseguenze concettuali e applicazioni di vasta portata nell'informazione quantistica

Una delle caratteristiche fondamentali della fisica quantistica è la non località di Bell: il fatto che le previsioni della meccanica quantistica non possono essere spiegate da alcuna teoria locale (classica). Ciò ha notevoli conseguenze concettuali e applicazioni di vasta portata nell’informazione quantistica.

Tuttavia, nella nostra esperienza quotidiana, gli oggetti macroscopici sembrano comportarsi secondo le regole della fisica classica e le correlazioni che vediamo sono locali. È davvero così o possiamo contestare questa visione? 

In un recente articolo su Physical Review Letters, scienziati dell’Università di Vienna e dell’Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) dell’Accademia austriaca delle scienze hanno dimostrato che è possibile preservare completamente la struttura matematica della teoria quantistica nel limite macroscopico. Questo potrebbe portare a osservazioni di non località quantistiche su scala macroscopica.

La nostra esperienza quotidiana ci dice che i sistemi macroscopici obbediscono alla fisica classica. È quindi naturale aspettarsi che la meccanica quantistica debba riprodurre la meccanica classica nel limite macroscopico. Questo è noto come principio di corrispondenza, come stabilito da Bohr nel 1920.

Un semplice argomento per spiegare questa transizione dalla meccanica quantistica alla meccanica classica è il meccanismo a grana grossa: se le misurazioni eseguite su sistemi macroscopici hanno una risoluzione limitata e non possono risolvere singole particelle microscopiche, allora i risultati si comportano in modo classico.

Le correlazioni quantistiche temporali si riducono a correlazioni classiche

Tale argomento, applicato alle correlazioni di Bell (non locali), porta al principio di località macroscopica. Allo stesso modo, le correlazioni quantistiche temporali si riducono a correlazioni classiche (realismo macroscopico) e la contestualità quantistica si riduce a non contestualità macroscopica. Si credeva fermamente che la transizione quantistica-classica fosse universale, sebbene mancasse una prova generale. Per illustrare il punto, prendiamo l’esempio della non località quantistica.

Supponiamo di avere due osservatori distanti, Alice e Bob, che vogliono misurare la forza della correlazione tra i loro sistemi locali. Possiamo immaginare una situazione tipica in cui Alice misura la sua minuscola particella quantistica e Bob fa lo stesso con la sua e combinano i loro risultati osservativi per calcolare la correlazione corrispondente. Poiché i loro risultati sono intrinsecamente casuali (come sempre accade negli esperimenti quantistici), devono ripetere l’esperimento un gran numero di volte per trovare la media delle correlazioni

L’assunto chiave in questo contesto è che ogni esecuzione dell’esperimento deve essere ripetuta esattamente nelle stesse condizioni e indipendentemente da altre esecuzioni, che è nota come assunzione IID (indipendente e distribuita in modo identico).

Ad esempio, quando eseguiamo lanci di monete casuali, dobbiamo assicurarci che ogni lancio sia equo e imparziale, risultando in una probabilità misurata di (circa) il 50% per testa/croce dopo molte ripetizioni. Tale assunto gioca un ruolo centrale nell’evidenza esistente per la riduzione alla classicità nel limite macroscopico. Tuttavia, gli esperimenti macroscopici considerano cluster di particelle quantistiche che sono impacchettate insieme e misurate insieme con una risoluzione limitata (grana grossa). Queste particelle interagiscono tra loro, quindi non è naturale presumere che le correlazioni a livello microscopico siano distribuite in unità di coppie indipendenti e identiche. Se è così, cosa succede se abbandoniamo l’ipotesi IID? Raggiungiamo ancora la riduzione alla fisica classica nel limite di un gran numero di particelle?

Nel loro recente lavoro, Miguel Gallego (Università di Vienna) e Borivoje Dakić (Università di Vienna e IQOQI) hanno dimostrato che, sorprendentemente, le correlazioni quantistiche sopravvivono nel limite macroscopico se le correlazioni non sono IID distribuite a livello dei costituenti microscopici.

L’ipotesi IID non è naturale quando si ha a che fare con un gran numero di sistemi microscopici. Le piccole particelle quantistiche interagiscono fortemente e le correlazioni quantistiche e l’entanglement sono distribuiti ovunque. Dato uno scenario del genere, abbiamo rivisto i calcoli esistenti e siamo stati in grado di trovare un comportamento quantistico completo in scala macroscopica. Questo è completamente contro il principio di corrispondenza e il passaggio alla classicità non avviene”, ha affermato Borivoje Dakić.

Considerando le fluttuazioni osservabili (deviazioni dai valori di aspettativa) e una certa classe di stati a molti corpi entangled (stati non IID), gli autori mostrano che l’intera struttura matematica della teoria quantistica (ad esempio, la regola di Born e il principio di sovrapposizione) è preservata nel limite. 

Questa proprietà, che chiamano comportamento quantistico macroscopico, consente loro di mostrare direttamente che la nonlocalità di Bell è visibile nel limite macroscopico. “È incredibile avere regole quantistiche su scala macroscopica. Dobbiamo solo misurare le fluttuazioni, le deviazioni dai valori attesi e vedremo fenomeni quantistici nei sistemi macroscopici. Credo che questo apra la porta a nuovi esperimenti e applicazioni”, conclude Miguel Gallego.

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