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Cos’è l’entanglement in fisica quantistica?

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Einstein definì l’entanglement come “azione spettrale a distanza“, un nome che è rimasto ed è diventato sempre più popolare. Oltre a costruire computer quantistici migliori, comprendere e sfruttare l’entanglement è utile anche in altri modi.

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Ad esempio, può essere utilizzato per effettuare misurazioni più accurate delle onde gravitazionali e per comprendere meglio le proprietà dei materiali esotici. Si manifesta anche in altri luoghi: ho studiato come gli atomi che si scontrano l’uno con l’altro si impigliano, per capire come ciò influisca sull’accuratezza degli orologi atomici.

Ma che cosa è l’entanglement? C’è un modo per capire questo fenomeno “spettrale”? Cercherò di spiegarlo unendo due nozioni della fisica: leggi di conservazione e sovrapposizioni quantistiche.

Leggi di conservazione

Le leggi di conservazione sono alcuni dei concetti più profondi e pervasivi di tutta la fisica. La legge di conservazione dell’energia afferma che la quantità totale di energia in un sistema isolato rimane fissa (sebbene possa essere convertita da energia elettrica a energia meccanica in calore, e così via). Questa legge è alla base del funzionamento di tutte le nostre macchine, siano esse motori a vapore o auto elettriche. Le leggi di conservazione sono una sorta di dichiarazione contabile: puoi scambiare pezzi di energia in giro, ma la quantità totale deve rimanere la stessa.

La conservazione della quantità di moto (la quantità di moto è massa per velocità) è la ragione per cui, quando due pattinatori di massa diversa si allontanano l’uno dall’altro, quello più leggero si allontana più velocemente di quello più pesante. Questa legge è anche alla base del famoso detto che “ogni azione ha una reazione uguale e contraria“.

La conservazione del momento angolare è il motivo per cui, tornando di nuovo ai pattinatori sul ghiaccio, una pattinatrice su ghiaccio può girare più velocemente avvicinando le braccia al corpo.

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Addizione quantistica

Immaginati in una bella escursione nei boschi. Arrivi a un bivio, ma ti ritrovi a fare fatica a decidere se andare a sinistra o a destra. Il sentiero a sinistra sembra scuro e cupo, ma si ritiene che conduca ad alcuni bei panorami, mentre quello a destra sembra soleggiato ma ripido. Alla fine decidi di andare a destra, interrogandoti malinconicamente sulla strada non intrapresa. In un mondo quantistico, avresti potuto scegliere entrambi.

Per i sistemi descritti dalla meccanica quantistica (cioè cose che sono sufficientemente ben isolate dal calore e dai disturbi esterni), le regole sono più interessanti.

Come una trottola, un elettrone, ad esempio, può trovarsi in uno stato in cui ruota in senso orario o in un altro stato in cui ruota in senso antiorario. A differenza di una trottola, però, può anche trovarsi in uno stato che è [rotazione in senso orario] + [rotazione in senso antiorario].

Gli stati dei sistemi quantistici possono essere sommati e sottratti l’uno dall’altro.

Matematicamente, le regole per combinare gli stati quantistici possono essere descritte allo stesso modo delle regole per aggiungere e sottrarre vettori. La parola per una tale combinazione di stati quantistici è una sovrapposizione.

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Questo è davvero ciò che sta dietro agli strani effetti quantistici di cui potresti aver sentito parlare, come l’esperimento della doppia fenditura o la dualità particella-onda.

Supponiamo che tu decida di forzare un elettrone nello stato di sovrapposizione [rotazione in senso orario] + [rotazione in senso antiorario] per ottenere una risposta definita. Quindi l’elettrone finisce casualmente nello stato [rotazione in senso orario] o nello stato [rotazione in senso antiorario].

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Le probabilità di un risultato rispetto all’altro sono facili da calcolare. L’intrinseca casualità di questo processo potrebbe infastidirti se la tua visione del mondo richiede che l’universo si comporti in un modo completamente prevedibile, ma … c’est la (sperimentalmente testatovie .

Leggi di conservazione, meccanica quantistica ed entanglement

Mettiamo insieme queste due idee e applichiamo la legge di conservazione dell’energia a una coppia di particelle quantistiche.

Immagina una coppia di particelle quantistiche (diciamo atomi) che iniziano con un totale di 100 unità di energia. Tu e il tuo amico separate la coppia, prendendone uno ciascuno. Scopri che il tuo ha 40 unità di energia.

Usando la legge di conservazione dell’energia, deduci che quella che ha il tuo amico deve avere 60 unità di energia. Non appena conosci l’energia del tuo atomo, conosci immediatamente anche l’energia dell’atomo del tuo amico.

Lo sapresti anche se il tuo amico non ti avesse mai rivelato alcuna informazione. E lo sapresti anche se il tuo amico fosse dall’altra parte della galassia quando hai misurato l’energia del tuo atomo. Niente di inquietante (una volta che ti rendi conto che si tratta solo di correlazione, non di causalità).

Ma gli stati quantistici di una coppia di atomi possono essere più interessanti. L’energia della coppia può essere partizionata in molti modi possibili (coerentemente con la conservazione dell’energia, ovviamente). Lo stato combinato della coppia di atomi può essere in una sovrapposizione, ad esempio:

[il tuo atomo: 60 unità; atomo di un amico: 40 unità] + [il tuo atomo: 70 unità; atomo di amico: 30 unità].

Questo è uno stato entangled dei due atomi. Né il tuo atomo, né quello del tuo amico, hanno un’energia definita in questa sovrapposizione. Tuttavia, le proprietà dei due atomi sono correlate a causa della conservazione dell’energia: le loro energie si sommano sempre fino a 100 unità.

Ad esempio, se misuri il tuo atomo e lo trovi in ​​uno stato con 70 unità di energia, puoi essere certo che l’atomo del tuo amico abbia 30 unità di energia. Lo sapresti anche se il tuo amico non ti avesse mai rivelato alcuna informazione. E grazie al risparmio energetico, lo sapresti anche se il tuo amico fosse dall’altra parte della galassia.

Niente di spaventoso.

Questo articolo di Amar Vutha, Assistant Professor of Physics, University of Toronto, è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale .

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