Scoperta una nuova connessione tra sovrapposizione e entanglement

La fisica dell’ultrapiccolo incorpora due concetti ben noti e bizzarri: il primo è che prima dell’osservazione è impossibile conoscere con certezza l’esito di una misurazione su una particella; piuttosto la particella esiste in una “sovrapposizione” comprendente molti stati che si escludono a vicenda. Quindi una particella può trovarsi in due o più posti contemporaneamente e puoi solo calcolare la probabilità di trovarla in una determinata posizione quando guardi.

Il secondo riguarda l'”entanglement”, il legame spettrale, come lo definì Einstein, che può “intrecciare” due oggetti, non importa quanto siano fisicamente separati. La teoria quantistica descrive matematicamente sia la sovrapposizione che l’entanglement. Ma molti fisici credono che la teoria definitiva della realtà possa trovarsi al di là della teoria quantistica.

“Siamo stati davvero entusiasti di trovare questa nuova connessione che va oltre la teoria quantistica perché la connessione sarà valida anche per teorie più esotiche che devono ancora essere scoperte“, afferma Ludovico Lami, membro del think tank di fisica, Foundational Questions Institute, FQXi, e un fisico dell’Università di Ulm, in Germania.

“Questo è importante anche perché è indipendente dal formalismo matematico della teoria quantistica e utilizza solo nozioni con un’interpretazione operativa immediata“, aggiunge. Lami è coautore dello studio con Guillaume Aubrun dell’Università Claude Bernard Lyon 1, in Francia, Carlos Palazuelos, dell’Università Complutense di Madrid, in Spagna, e Martin Plávala, dell’Università di Siegen, in Germania.

Mentre la teoria quantistica ha dimostrato di avere un enorme successo sin dal suo sviluppo un secolo fa, i fisici hanno lottato per unificarla con la gravità per creare una “teoria del tutto” globale.

Ciò suggerisce che la teoria quantistica potrebbe non essere l’ultima parola per descrivere la realtà, ispirando i fisici a cercare una struttura più fondamentale. Ma qualsiasi teoria definitiva del genere deve ancora incorporare la sovrapposizione, l’entanglement e la natura probabilistica della realtà, poiché queste caratteristiche sono state confermate più e più volte nei test di laboratorio.

“L’interpretazione di questi esperimenti non dipende dalla correttezza della teoria quantistica“, osserva Lami.

Crittografia quantistica

Ci sono anche implicazioni pratiche. L’entanglement quantistico gioca un ruolo chiave nella progettazione dei computer quantistici, macchine che potrebbero superare i computer standard in determinati compiti, e nei protocolli crittografici quantistici, che sono già in uso e sfruttano le regole quantistiche per fornire comunicazioni ultra sicure attraverso canali che, in teoria , sono immuni all’hacking. Ma se la teoria quantistica dovesse essere sostituita da un’altra teoria più fondamentale in futuro, scopriremo che queste regole non erano realmente valide o che questi protocolli crittografici non sono sicuri come promesso?

Il problema è che per scoprirlo è necessario analizzare la sovrapposizione e l’entanglement in termini di una teoria generale, e ancora sconosciuta, senza utilizzare la matematica della teoria quantistica. Come farlo?

Lami e i suoi colleghi hanno risolto questo enigma studiando “teorie probabilistiche generali” piuttosto che la teoria quantistica. La ricerca è stata sostenuta in parte attraverso una sovvenzione che Lami e altri hanno ricevuto dal Foundational Questions Institute, FQXi, per studiare le caratteristiche e i limiti dell’intelligenza nelle teorie probabilistiche generalizzate, consentendo loro di esaminare come le informazioni vengono elaborate in astratto classico, quantistico e ‘oltre i sistemi quantistici’.

“Questa sovvenzione FQXi mi ha dato la possibilità di pensare più da vicino ad alcune caratteristiche universali dell’elaborazione delle informazioni nelle teorie al di là della meccanica quantistica, modellate matematicamente da teorie probabilistiche generali“, afferma Lami. “E l’esempio primitivo crittografico che studiamo, la distribuzione delle chiavi segrete, è uno dei compiti più semplici in cui questo formalismo può essere applicato“.

Nel nuovo articolo, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, il team ha dimostrato che due teorie fisiche mostrano entanglement quando combinate se, e solo se, entrambe mostrano sovrapposizioni locali. Ciò significa che entanglement e sovrapposizione sono equivalenti in qualsiasi teoria fisica, non solo nella teoria quantistica. Hanno anche calcolato che nei sistemi in cui vale questa equivalenza, quantistica o oltre quantistica, le leggi della teoria possono essere sfruttate per una crittografia ultra sicura.

In particolare, il team ha dimostrato che un certo popolare protocollo crittografico quantistico, noto come “BB84“, funzionerà sempre, anche se un giorno si scoprirà che la teoria quantistica non è del tutto corretta e deve essere sostituita con una teoria più fondamentale.

“È in qualche modo rassicurante sapere che la crittografia è davvero una caratteristica di tutte le teorie non classiche, e non solo una stranezza quantistica, dal momento che molti di noi credono che la teoria definitiva della natura sarà probabilmente non classica“, afferma Lami. “Anche se un giorno dovessimo scoprire che la teoria quantistica non è corretta, sapremo comunque che la distribuzione delle chiavi segrete può in linea di principio funzionare“.

Riferimento: “Entanglement and Superposition Are Equivalent Concepts in Any Physical Theory” di Guillaume Aubrun, Ludovico Lami, Carlos Palazuelos e Martin Plávala, 22 aprile 2022, Physical Review Letters .
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.160402