Entropia e meccanica quantistica: un canto di caos e disordine

• L’entropia, spesso semplificata come “disordine”, in realtà misura il flusso di informazioni nei sistemi, con un impatto su campi che vanno dalla compressione dei dati alla biologia.
• La meccanica quantistica, nota per la sua imprevedibilità, rivela nuove intuizioni sulla fisica man mano che cresce l’interesse per la tecnologia quantistica.
• Studi recenti dimostrano che l’entropia nei sistemi quantistici si comporta in modo inaspettato, con tre definizioni classiche che divergono nei contesti quantistici non commutativi.
• Questa ricerca suggerisce che i modelli termodinamici tradizionali potrebbero necessitare di una revisione, poiché l’entropia quantistica mette in discussione i presupposti di stabilità e coerenza.

La meccanica quantistica rappresenta la massima trasgressore delle regole della fisica tradizionale, provocando caos al suo passaggio in ogni occasione. Tuttavia, uno dei sottoprodotti positivi della maggiore consapevolezza e interesse nello sviluppo della tecnologia quantistica è un’ulteriore comprensione della meccanica quantistica, la divisione della fisica che da tempo causa pari quantità di angoscia e meraviglia.

Un altro argomento enigmatico nelle scienze fisiche è l’entropia.

L’entropia è spesso semplificata concettualmente per adattarsi ai confini di parole come “caos” e “disordine“, ma questo non sempre rende giustizia. L’entropia ha radici profonde nella teoria dell’informazione e descrive il flusso di informazioni all’interno di un sistema. Questo concetto si estende oltre la fisica, influenzando aree come la compressione dei dati, dove l’entropia misura la quantità di informazioni codificate all’interno di un messaggio, e persino la biologia, dove svolge un ruolo nella comprensione dell’organizzazione e dell’evoluzione dei sistemi complessi.

Sebbene abbiamo studiato questo argomento in modo approfondito per molti anni, esperimenti recenti mostrano che l’entropia nei sistemi quantistici si comporta in modi del tutto inaspettati. Sorprendentemente, tre definizioni che un tempo sembravano equivalenti non sono più allineate e nessuna descrive accuratamente il comportamento dell’entropia nei sistemi quantistici.

Il paradosso quantistico delle quantità non commutabili

Nella fisica classica, l’ordine è affidabile. Prendiamo le dimensioni di un oggetto, di una stanza o persino di un vestito: misurare una dimensione prima di un’altra non cambia l’area complessiva, perché le dimensioni sono “commutabili“. Questo principio di commutabilità è familiare dalla matematica delle elementari: indipendentemente dall’ordine, la somma in un problema di addizione rimane la stessa.

I sistemi quantistici, tuttavia, prosperano grazie all’imprevedibilità. In uno studio recente pubblicato su PRXQuantum, un team del National Institute of Standards and Technology e dell’Università di Rochester ha osservato che le quantità “non commutabili” interrompono le definizioni classiche di entropia in modi sorprendenti. Le proprietà non commutabili, come gli spin quantistici, producono valori diversi in base all’ordine di misurazione; ad esempio, lo spin verticale di una particella differisce se misurato prima o dopo il suo spin orizzontale.

Per quanto riguarda i sistemi quantistici, ciò che un tempo si pensava fosse una misura universale del disordine si frattura, diventando una realtà dinamica in cui diverse definizioni di entropia divergono. Questo studio sfida la stabilità della termodinamica classica, spingendoci a ripensare il ruolo dell’entropia nella meccanica quantistica.

Tre facce

Per quasi due secoli, l’entropia ha indossato tre maschere (disordine, irreversibilità e incertezza), apparentemente intercambiabili in vari sistemi. Tuttavia, per quanto riguarda la meccanica quantistica, queste definizioni sono fuori passo tra loro.

Come scoperto nello studio, i calcoli del cambiamento di entropia (sia che siano visti come disordine, irreversibilità o incertezza) producono risposte diverse quando applicati a sistemi quantistici non commutanti. Questa disparità ci costringe a confrontarci con la possibilità inquietante che l’entropia, nella sua forma quantistica, potrebbe non essere ciò che pensavamo.

Ogni definizione classica, da tempo ritenuta attendibile per i sistemi governati da proprietà commutative, crolla quando applicata alle interazioni caotiche di cariche quantistiche non commutanti, come osservato nello studio. Ad esempio, l’entropia come misura del disordine non si allinea con l’entropia come difficoltà di invertire un processo in un sistema quantistico, come dimostra lo studio, il che ci invita in ultima analisi a mettere in discussione la nostra comprensione di base della termodinamica all’interno della meccanica quantistica.

Riscrivere le regole dell’entropia

Come ha affermato Shayan Majidy dell’Università di Harvard in un recente articolo su meccanica quantistica ed entropia pubblicato su New Scientist, quando si rimuove l’ipotesi che le quantità commutano, è come tirare un blocco da una torre di Jenga: modelli consolidati iniziano a sgretolarsi. Le scoperte del team del NIST evidenziano le sfide uniche e la natura complessa dell’entropia quantistica, che in alcuni casi potrebbe anche non rappresentare una quantità stabile.

Il team ha scoperto, ad esempio, che l’entropia può produrre valori non reali, persino immaginari, nei sistemi quantistici, introducendo un nuovo livello di ambiguità nella nostra comprensione del disordine.

Tale complessità, tuttavia, ha implicazioni pratiche. Majidy commenta anche che i ricercatori devono ora essere consapevoli quando selezionano le definizioni di entropia per gli studi quantistici. Le ipotesi classiche non si applicano più universalmente, specialmente in campi come la termodinamica quantistica e la scienza dell’informazione quantistica, dove l’entropia influenza l’efficienza del sistema e l’accuratezza delle informazioni

La tecnologia quantistica come un nodo in un ciclo

La meccanica quantistica, con la sua inclinazione alla ribellione, sta, qua e là, svelando i bordi netti della fisica. Mentre la tecnologia quantistica continua a evolversi, così farà anche la nostra comprensione della natura dell’entropia.

Questa continua intuizione sulla tecnologia quantistica si aggiunge all’intrigo. Man mano che approfondiamo la nostra comprensione della meccanica quantistica, ci equipaggiamo per sviluppare una tecnologia quantistica avanzata. In questo modo, la tecnologia quantistica crea uno spazio in cui la scienza fondamentale e la tecnologia si evolvono in tandem.

Tra gli autori che hanno contribuito allo studio figurano Twesh Upadhyaya, William F. Braasch, Jr., Gabriel T. Landi e Nicole Yunger Halpern.