Cos’è l’entanglement? Ecco la scienza della “azione spettrale a distanza” di Einstein

L’entanglement è il fulcro della fisica quantistica ed è il mattone sul quale poggiano le future tecnologie quantistiche. Come altri aspetti della scienza quantistica, il fenomeno dell’entanglement si rivela su scale molto piccole, subatomiche. Quando due particelle, come una coppia di fotoni o elettroni, si intrecciano, rimangono connesse anche se separate da grandi distanze. L’entanglement, in sostanza, nasce dalla connessione tra le particelle. È ciò che gli scienziati chiamano una proprietà emergente.

Nel video qui sotto (attivare i sottotitoli chi non capisce l’inglese), alcuni fisici del Caltech tentano di spiegare cos’è l’entanglement quantistico.

Il Premio Nobel per la fisica 2022 è stato assegnato a tre scienziati (Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger) che hanno dato contributi rivoluzionari alla comprensione di uno dei fenomeni naturali più misteriosi: l’entanglement quantistico.

In termini più semplici, l’entanglement quantistico significa che gli aspetti di una particella di una coppia entanglement dipendono dagli aspetti dell’altra particella, non importa quanto siano distanti o cosa si trovi tra loro.

La parte strana dell’entanglement quantistico è che quando misuri qualcosa su una particella in una coppia in entanglement, sai immediatamente qualcosa sull’altra particella, anche se sono distanti milioni di anni luce. Questa strana connessione tra le due particelle è istantanea e apparentemente infrange una legge fondamentale dell’universo.


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Per comprendere veramente quanto è inquietante l’entanglement quantistico, è importante prima comprendere la sovrapposizione quantistica. La sovrapposizione quantistica è l’idea che le particelle esistono in più stati contemporaneamente ed è solo quando viene eseguita una misurazione che la particella sembra selezionare uno dei possibili stati in sovrapposizione.

Correlazione indissolubile

Quando i ricercatori studiano l’entanglement, spesso usano un tipo speciale di cristallo per generare due particelle legate tra loro in entanglement (intrecciate). Per creare particelle intrecciate, essenzialmente si spezza in due un sistema di cui si conosce la somma delle parti. Ad esempio, puoi dividere una particella con spin pari a zero in due particelle che necessariamente avranno spin opposti in modo che la loro somma sia zero.

Queste particelle intrecciate vengono quindi inviate in luoghi diversi. Per questo esempio, supponiamo che i ricercatori vogliano misurare la direzione in cui ruotano le particelle, che può essere verso l’alto o verso il basso lungo un determinato asse. Prima che le particelle vengano misurate, ciascuna sarà nello detto di sovrapposizione, il che significa che non essendo stata fatta ancora nessuna misurazione, hanno allo stesso tempo “spin verso l’alto” e “spin verso il basso”.

Molte particelle, cioè, hanno un attributo chiamato spin che viene misurato come “su” o “giù” per un dato orientamento dell’analizzatore. Ma finché non si misura lo spin di una particella, essa esiste simultaneamente in una sovrapposizione di spin su e spin giù.

Ad ogni stato è associata una probabilità ed è possibile prevedere il risultato medio da molte misurazioni. La probabilità che una singola misurazione aumenti o diminuisca dipende da queste probabilità, ma è di per sé imprevedibile.

Nel 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen pubblicarono un articolo che descriveva un esperimento mentale progettato per illustrare un’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 lo spin misurato dell’elettrone è alto, allora lo spin misurato del positrone può essere solo basso e viceversa. Questo è vero anche se le particelle si trovano a miliardi di chilometri di distanza.

Ciò andrebbe bene se la misurazione dello spin dell’elettrone fosse sempre alto e lo spin misurato del positrone fosse sempre basso. Ma a causa della meccanica quantistica, lo spin di ciascuna particella è sia in parte verso l’alto che in parte verso il basso finché non viene misurato.

Solo quando avviene la misurazione lo stato quantistico dello spin “collassa” in alto o in basso, facendo collassare istantaneamente l’altra particella nello spin opposto. Ciò sembra suggerire che le particelle comunichino tra loro attraverso qualche mezzo che si muove più velocemente della velocità della luce. Ma secondo le leggi della fisica, nulla può viaggiare più veloce della luce. Come è possibile che la misurazione dello stato di una particella possa determinare istantaneamente lo stato di un’altra particella all’estremità opposta dell’universo?

I fisici, incluso Einstein, proposero una serie di interpretazioni alternative dell’entanglement quantistico negli anni ’30. Ipotizzarono che esistessero delle proprietà sconosciute – soprannominate variabili nascoste – che determinavano lo stato di una particella prima della misurazione. Ma all’epoca, i fisici non avevano la tecnologia né una definizione di misurazione chiara che potesse verificare se la teoria quantistica dovesse essere modificata per includere queste variabili nascoste.

Se il ricercatore misura la direzione dello spin di una particella e poi ripete la misurazione sul suo partner distante ed entangled, quel ricercatore scoprirà sempre che le coppie sono correlate: se lo spin di una particella è alto, quello dell’altra sarà basso (gli spin potrebbero anche essere entrambi verso l’alto o verso il basso, a seconda di come è progettato l’esperimento, ma ci sarà sempre una correlazione). Osservare le particelle entangled è come osservare un ballerino e trovarlo in una piroetta, e poi sapere automaticamente che anche l’altro ballerino sta eseguendo una piroetta. La bellezza dell’entanglement è che il semplice fatto di conoscere lo stato di una particella ti dice automaticamente qualcosa sulla sua compagna intrecciata, anche quando sono distanti.
Sebbene sembri un fenomeno molto strano, la matematica e un vasto numero di esperimenti hanno dimostrato che la meccanica quantistica descrive correttamente la realtà fisica.

Le particelle sono davvero connesse nello spazio?

Ma le particelle sono davvero in qualche modo legate tra loro attraverso lo spazio, o sta succedendo qualcos’altro? Alcuni scienziati, tra cui Albert Einstein negli anni ’30, sottolinearono che le particelle entangled potrebbero essere sempre state spin-up o spin-down, ma che questa informazione ci è stata nascosta fino a quando non sono state effettuate le misurazioni. Tali “teorie locali delle variabili nascoste” si opponevano all’aspetto sconcertante dell’entanglement, proponendo invece che stia succedendo qualcosa di più banale, ma invisibile.

Grazie al lavoro teorico di John Stewart Bell negli anni ’60 e al lavoro sperimentale svolto dall’alunno del Caltech John Clauser (BS ’64) e altri a partire dagli anni ’70, gli scienziati hanno escluso queste teorie locali sulle variabili nascoste. Una chiave del successo dei ricercatori è stata l’osservazione delle particelle intrecciate da diverse angolazioni.

John Bell, un brillante fisico irlandese che non visse abbastanza da 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 solo corretta – per le teorie delle variabili nascoste, e non sempre per la meccanica quantistica. Pertanto, se si fosse scoperto che l’equazione di Bell non è soddisfatta in un esperimento nel mondo reale, le teorie locali delle variabili nascoste sarebbero state escluse come spiegazione dell’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 attributo misterioso che predeterminerebbe gli stati delle particelle entangled. Nel complesso, questi e molti altri  esperimenti successivi hanno confermato la meccanica quantistica. Gli oggetti possono essere correlati su grandi distanze in modi che la fisica non quantistica non può spiegare.

È importante sottolineare che non vi è alcun conflitto con la relatività speciale, che vieta la comunicazione a velocità superiore alla luce. Il fatto che le misurazioni su grandi distanze siano correlate non implica che l’informazione venga trasmessa tra le particelle. Due soggetti distanti tra loro che eseguono misurazioni su particelle entangled non possono sfruttare il fenomeno per trasmettere informazioni a una velocità superiore a quella della luce.

La danza dell’entanglement non si materializza da una qualsiasi particella ma dalle connessioni tra di loro.

Oggi i fisici continuano a ricercare l’entanglement quantistico e a indagare sulle potenziali applicazioni pratiche. Sebbene la meccanica quantistica possa prevedere la probabilità di una misurazione con incredibile precisione, molti ricercatori rimangono scettici sul fatto che essa fornisca una descrizione completa della realtà. Una cosa è certa, però: resta ancora molto da dire sul misterioso mondo della meccanica quantistica.

Nell’esperimento menzionato sopra, ciò significa che un ricercatore potrebbe misurare la prima particella come spin up, ma poi utilizzerebbe un angolo di visione diverso (o una direzione diversa dell’asse di spin) per misurare la seconda particella. Invece di avere due particelle che combaciano come prima, la seconda particella tornerebbe in uno stato di sovrapposizione e, una volta osservata, potrebbe avere spin verso l’alto o verso il basso. La scelta dell’angolo di visione ha cambiato l’esito dell’esperimento, il che significa che non può esserci alcuna informazione nascosta all’interno di una particella che ne determina la rotazione prima che venga osservata.

La relatività rimane intatta

Un malinteso comune sull’entanglement è che le particelle comunichino tra loro a una velocità superiore a quella della luce, il che andrebbe contro la teoria della relatività speciale di Einstein. Gli esperimenti hanno dimostrato che questo non è vero, né la fisica quantistica può essere utilizzata per inviare comunicazioni più veloci della luce. Anche se gli scienziati discutono ancora su come nasca il fenomeno apparentemente bizzarro dell’entanglement, sanno che si tratta di un principio reale che supera test dopo test. Infatti, mentre Einstein descriveva notoriamente l’entanglement come “un’azione spettrale a distanza“, gli scienziati quantistici di oggi affermano che non c’è nulla di spettrale in esso.

Potrebbe essere forte la tentazione di pensare che le particelle comunichino in qualche modo tra loro attraverso queste grandi distanze, ma non è così“, afferma Thomas Vidick, professore di scienze informatiche e matematiche al Caltech. “Può esserci correlazione senza comunicazione” e le particelle “possono essere pensate come un unico oggetto“.

Diciamo che hai due palline intrecciate, ciascuna nella propria scatola. Ogni pallina è in uno stato di sovrapposizione, ovvero sia gialla che rossa allo stesso tempo.

...finché non osservi le palline. Se il primo è giallo, l'altro sarà giallo. Se il primo è rosso, l'altro sarà rosso. Gli oggetti rimangono collegati anche a grandi distanze. Gli scienziati pensano che gli oggetti impigliati siano realmente un unico oggetto.

Ma cosa succede se un osservatore decide di guardare la propria palla da un'angolazione o da un lato diverso della scatola? Le palline torneranno in uno stato di sovrapposizione e avranno il 50% di probabilità di essere gialle e il 50% di probabilità di essere rosse.

Lo spettatore potrebbe ora trovare una pallina gialla, anche se in precedenza la coppia di palline era entrambe rosse!

Ora, se anche il secondo osservatore guarda la palla da un lato, questa corrisponderà a ciò che ha visto il primo osservatore. La palla è ancora impigliata, ma ciò che vede lo spettatore dipende da come la guarda. Questo perché l'informazione correlata sul colore non si trova all'interno di nessuna pallina ma esiste nella connessione tra le palline.
Credito: Lance Hayashida per Caltech Science Exchange

Reti di entanglement

L’entanglement può verificarsi anche tra centinaia, milioni miliardi di particelle. Si ritiene che il fenomeno abbia luogo in tutta la natura, tra gli atomi e le molecole delle specie viventi e all’interno dei metalli e di altri materiali. Quando centinaia di particelle rimangono impigliate, agiscono ancora come un unico oggetto unificato. Come uno stormo di uccelli, le particelle diventano un’entità a sé stante senza essere in contatto diretto tra loro.

I ricercatori si concentrano sullo studio di questi cosiddetti sistemi entangled a molti corpi, sia per comprendere la fisica fondamentale sia per creare e sviluppare nuove tecnologie quantistiche. Come afferma John Preskill, professore di fisica teorica Richard P. Feynman del Caltech, presidente della leadership di Allen VC Davis e Lenabelle Davis e direttore dell’Institute for Quantum Information and Matter: “Stiamo investendo e scommettendo sul fatto che l’entanglement sarà uno dei temi più importanti della scienza del 21° secolo.”

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