Lo sviluppo temporale di effetti quasi “istantanei” può essere studiato. Insieme a team di ricerca cinesi, la TU Wien (Vienna) ha sviluppato simulazioni al computer che possono essere utilizzate per simulare processi ultraveloci. Questo consente di scoprire come l’entanglement quantistico si verifica su una scala temporale di attosecondi.
Misurare la velocità dell’entanglement quantistico
La teoria quantistica descrive eventi che hanno luogo su scale temporali estremamente brevi. In passato, tali eventi erano considerati “momentanei” o “istantanei“: un elettrone orbita attorno al nucleo di un atomo, e nell’istante successivo viene improvvisamente strappato via da un lampo di luce. Due particelle si scontrano, e nell’istante successivo sono improvvisamente “intrecciate quantisticamente”.
Se due particelle sono aggrovigliate quantisticamente, non ha senso descriverle separatamente. Anche se si conosce perfettamente lo stato di questo sistema a due particelle, non si può fare una chiara affermazione sullo stato di una singola particella.
“Si potrebbe dire che le particelle non hanno proprietà individuali, hanno solo proprietà comuni. Da un punto di vista matematico, appartengono saldamente insieme, anche se si trovano in due posti completamente diversi“, ha spiegato il Professor Joachim Burgdörfer dell’Istituto di fisica teorica della TU Wien.
Lo studio sulla velocità dell’ entanglement quantistico
Negli esperimenti con particelle quantistiche entangled, gli scienziati sono solitamente interessati a mantenere questo entanglement quantistico il più a lungo possibile, ad esempio se vogliono utilizzare l’entanglement quantistico per la crittografia quantistica o per i computer quantistici.
“Noi, d’altro canto, siamo interessati a qualcos’altro: scoprire come si sviluppa in primo luogo questo intreccio e quali effetti fisici giocano un ruolo su scale temporali estremamente brevi”, ha osservato la Proffessoressa Iva Březinová, una degli autori dell’attuale ricerca sulla velocità dell’entanglement quantistico.
I ricercatori hanno osservato atomi colpiti da un impulso laser estremamente intenso e ad alta frequenza. Un elettrone viene strappato dall’atomo e vola via. Se la radiazione è abbastanza forte, è possibile che venga colpito anche un secondo elettrone dell’atomo: può essere spostato in uno stato con energia più elevata e quindi orbitare attorno al nucleo atomico su un percorso diverso.
Quindi, dopo l’impulso laser, un elettrone vola via e uno rimane con l’atomo con energia sconosciuta: “Possiamo dimostrare che questi due elettroni sono ora aggrovigliati quantisticamente“, ha affermato Burgdörfer: “È possibile analizzarli solo insieme, e si può eseguire una misurazione sulla velocità dell’entanglement quantistico su uno degli elettroni e apprendere qualcosa sull’altro elettrone allo stesso tempo”.
Il team di ricerca è riuscito a dimostrare, utilizzando un protocollo di misurazione della velocità dell’entanglement quantistico adatto che combina due diversi raggi laser, che è possibile raggiungere una situazione in cui il “momento di nascita” dell’elettrone che vola via, cioè il momento in cui lascia l’atomo, è correlato allo stato dell’elettrone che rimane indietro. Queste due proprietà sono quantisticamente entangled.
“Questo significa che il momento di nascita dell’elettrone che vola via non è noto in linea di principio. Si potrebbe dire che l’elettrone stesso non sa quando ha lasciato l’atomo“, ha aggiunto Burgdörfer: “Si trova in una sovrapposizione quantistica-fisica di stati diversi. Ha lasciato l’atomo sia in un momento precedente che successivo nel tempo“.
Non si può rispondere a quale punto nel tempo fosse “realmente“: la risposta “effettiva” a questa domanda semplicemente non esiste nella fisica quantistica.
La risposta sulla velocità dell’entanglement quantistico è collegata in termini quantistici allo stato, anch’esso indeterminato, dell’elettrone rimasto con l’atomo. Se l’elettrone rimanente è in uno stato di energia più elevata, allora l’elettrone che è volato via aveva maggiori probabilità di essere stato strappato via in un momento iniziale, se l’elettrone rimanente è in uno stato di energia più bassa, allora il “momento di nascita” dell’elettrone libero che è volato via è stato probabilmente successivo, in media circa 232 attosecondi.
Si tratta di un periodo di tempo quasi inimmaginabilmente breve: un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo: “Queste differenze non possono essere solo calcolate, ma anche misurate negli esperimenti“, ha specificato Burgdörfer: “Siamo già in trattative con team di ricerca che vogliono dimostrare tali entanglement ultraveloci“.
Conclusioni
Lo studio ha dimostrato che non è sufficiente considerare gli effetti quantistici come “istantanei“. Le correlazioni importanti diventano visibili solo quando si riesce a risolvere le scale temporali ultra-brevi di questi effetti.
“L’elettrone non salta semplicemente fuori dall’atomo. È un’onda che fuoriesce dall’atomo, per così dire, e questo richiede un certo lasso di tempo”, ha concluso Březinová: “È proprio durante questa fase che si verifica l’intreccio, il cui effetto può poi essere misurato con precisione in seguito osservando i due elettroni“.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.
