Un nuovo teorema delinea i limiti della fisica quantistica

Il risultato evidenzia una tensione fondamentale: o le regole della meccanica quantistica non si applicano sempre, o almeno un assunto di base sulla realtà deve essere sbagliato

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I fondatori della meccanica quantistica capirono subito che si trattava di qualcosa di profondamente strano. Albert Einstein, per esempio, morì convinto che la teoria dovesse essere solo un trampolino di lancio per una descrizione più completa della natura, che avrebbe eliminato le inquietanti stranezze dei quanti.
Poi, nel 1964, John Stewart Bell dimostrò un teorema che poteva verificare se la teoria quantistica stava oscurando una descrizione completa della realtà, come sosteneva Einstein. Grazie al teorema di Bell si è potuta escludere la possibilità che sotto tutta l’apparente follia quantistica – la casualità e l’azione spettrale a distanza – ci sia una realtà deterministica nascosta che obbedisce alle leggi della relatività.
Ora un nuovo teorema ha portato il lavoro di Bell un passo avanti. Il teorema fa alcune supposizioni ragionevoli sulla realtà fisica. Quindi mostra che se si svolgesse un certo esperimento – per essere onesti, un esperimento stravagantemente complicato – i risultati attesi secondo le regole della teoria quantistica ci costringerebbero a rifiutare uno di questi presupposti.
Secondo Matthew Leifer, fisico quantistico della Chapman University che non ha partecipato alla ricerca, il nuovo lavoro focalizza l’attenzione su una classe di interpretazioni della meccanica quantistica che fino ad ora sono riuscite a sfuggire a un serio esame da parte di simili teoremi “no-go”.
In generale, queste interpretazioni sostengono che gli stati quantistici riflettono la nostra conoscenza della realtà fisica, piuttosto che essere rappresentazioni fedeli di qualcosa che esiste nel mondo. L’esempio di questo gruppo di idee è l’interpretazione di Copenhagen, la versione da manuale della teoria quantistica, che è più comunemente intesa per suggerire che le particelle non hanno proprietà definite fino a quando quelle proprietà non vengono misurate. Altre interpretazioni quantistiche simili vanno ancora oltre, caratterizzando gli stati quantistici come soggettivi per ogni osservatore.
Il teorema di Bell del 1964 portò rigore matematico ai dibattiti iniziati con Einstein e Niels Bohr, uno dei principali fautori dell’interpretazione di Copenaghen. Einstein sosteneva l’esistenza di un mondo deterministico che si trova al di sotto della teoria quantistica; Bohr che la teoria quantistica è completa e che il mondo quantistico è indelebilmente probabilistico.
Il teorema di Bell fa due ipotesi esplicite. Uno è che le influenze fisiche sono “locali”: non possono viaggiare più veloci della velocità della luce. Inoltre, si presume (alla Einstein) che esista una realtà deterministica nascosta non modellata dalla matematica della meccanica quantistica. Una terza ipotesi, non dichiarata ma implicita, è che gli sperimentatori abbiano la libertà di scegliere le proprie impostazioni di misurazione.
Date queste ipotesi, un test del teorema di Bell coinvolge due osservatori, Alice e Bob, che effettuano misurazioni su numerose coppie di particelle, una coppia alla volta. Ogni coppia è intrecciata, in modo che le loro proprietà siano collegate meccanicamente in modo quantistico: se Alice misura lo stato della sua particella, apparentemente influenza istantaneamente lo stato della particella di Bob, anche se i due sono a chilometri di distanza.
Il teorema di Bell suggerisce un modo ingegnoso per organizzare un esperimento. Se le correlazioni tra le misurazioni di Alice e Bob sono uguali o inferiori a un certo valore, allora Einstein aveva ragione: esiste una realtà nascosta locale. Se le correlazioni sono al di sopra di questo valore (come prevede la teoria quantistica), allora uno dei presupposti di Bell deve essere sbagliato e il sogno di una realtà nascosta locale deve morire.
I fisici hanno trascorso quasi 50 anni eseguendo test di Bell sempre più stringenti. Entro il 2015, questi esperimenti avevano sostanzialmente risolto il dibattito. Le correlazioni misurate erano superiori al livello noto come disuguaglianza di Bell e i test di Bell erano coerenti con le previsioni della meccanica quantistica. Di conseguenza, l’idea di una realtà nascosta locale è stata abbandonata.

Presupposti deboli, teoria forte

Il nuovo lavoro attinge alla tradizione iniziata da Bell, ma si basa anche su un setup sperimentale leggermente diverso, ideato originariamente dal fisico Eugene Wigner.
Nell’esperimento mentale di Wigner, una persona che chiameremo amico di Wigner è all’interno di un laboratorio. L’amico misura lo stato di una particella che si trova in una sovrapposizione (o miscela quantistica) di due stati, diciamo 0 e 1. La misurazione fa collassare lo stato quantico della particella a 0 o 1 e il risultato viene registrato dall’amico.
Lo stesso Wigner è fuori dal laboratorio. Dal suo punto di vista, il laboratorio e il suo amico – supponendo che siano completamente isolati da tutti i disturbi ambientali – continuano a evolversi insieme dal punto di vista quantistico. Dopo tutto, la meccanica quantistica non fa affermazioni sulla dimensione del sistema a cui si applica la teoria. In linea di principio, si applica alle particelle elementari, al Sole, alla Luna e agli esseri umani.
Secondo Wigner, se la meccanica quantistica è universalmente applicabile, allora sia la particella che l’amico di Wigner sono ora impigliati e in una sovrapposizione quantistica, anche se la misurazione dell’amico ha apparentemente già collassato la sovrapposizione della particella.
Le contraddizioni sollevate dalla configurazione di Wigner hanno evidenziato domande fondamentali e convincenti su ciò che si qualifica come misurazione che causa un collasso e se il collasso è irreversibile.
Come per il teorema di Bell, gli autori del nuovo lavoro fanno supposizioni apparentemente ovvie ma nondimeno rigorose. La prima afferma che gli sperimentatori hanno la libertà di scegliere il tipo di misurazioni che vogliono fare. La seconda dice che non puoi inviare un segnale più veloce della velocità della luce. La terza afferma che i risultati delle misurazioni sono fatti assoluti e oggettivi per tutti gli osservatori.
Si noti che queste ipotesi di “cordialità locale” sono più deboli di quelle di Bell. Gli autori non presumono che ci sia una sorta di realtà deterministica alla base del mondo quantistico. Pertanto, se un esperimento può essere fatto, e se l’esperimento funziona, significa che “abbiamo effettivamente scoperto qualcosa di ancora più profondo sulla realtà rispetto al teorema di Bell“, come dice Howard Wiseman, direttore del Center for Quantum Dynamics della Griffith Università in Australia e uno dei leader del nuovo lavoro.
Il nuovo teorema identifica anche un ampio insieme di disuguaglianze matematiche, che includono ma si estendono anche oltre quelle formulate da Bell. “È possibile violare le disuguaglianze di Bell, ma non violare le nostre disuguaglianze“, ha detto il membro del team Nora Tischler, anche lei di Griffith.
E così possiamo chiederci quale sarebbe il risultato se applicassimo le regole note della meccanica quantistica a questa nuova configurazione sperimentale. Se le leggi della meccanica quantistica sono universali, il che significa che si applicano sia a oggetti molto piccoli che a quelli più grandi, gli esperimenti dovrebbero violare le disuguaglianze.
Se gli esperimenti futuri lo confermeranno, allora una delle tre ipotesi deve essere sbagliata, e la teoria quantistica è ancora più strana di quanto mostrano i test del teorema di Bell.
In effetti, Tischler e i suoi colleghi della Griffith hanno già realizzato una versione di prova dell’esperimento. E così facendo, hanno finito per violare le disuguaglianze. Ma c’è un avvertimento significativo nel loro esperimento, che dipende da ciò che conta, nella meccanica quantistica, come osservatore.

Lo spettro dell’osservatore

Il nuovo teorema dell’amicizia locale richiede la duplicazione della configurazione dell’amico di Wigner. Ora abbiamo due laboratori. Nel primo laboratorio, Alice è fuori, mentre il suo amico Charlie è dentro. Bob è fuori dall’altro laboratorio e dentro c’è la sua amica Debbie.
In questa configurazione aggiungiamo un paio di particelle intrecciate. Una particella viene inviata a Charlie, l’altra a Debbie. Entrambi gli osservatori effettuano una misurazione e registrano il risultato.
Adesso è il turno di Alice e Bob. Ciascuno può effettuare uno dei tre tipi di misurazione. La prima opzione è semplice: chiedi all’amico qual è il risultato della misurazione.
Gli altri due sono incredibilmente difficili. In primo luogo, Alice e Bob devono esercitare il completo controllo quantistico sui rispettivi amici e laboratori, tanto che, infatti, invertono l’evoluzione quantistica dell’intero sistema. Annullano la misurazione dell’amico, cancellano la memoria dell’amico e ripristinano la particella alla sua condizione iniziale (chiaramente, gli “amici” non possono essere umani; ci arriveremo in un attimo). A quel punto, Alice e Bob scelgono a caso tra due diverse misurazioni, misurano la particella e annotano il risultato. Lo fanno per decine di migliaia di coppie di particelle aggrovigliate.
L’esperimento di prova di principio inizia con un fotone in ogni laboratorio. Ogni amico è rappresentato da una semplice configurazione che effettua una misurazione sul fotone, in modo tale che il fotone prenda uno dei due percorsi o entri in una sovrapposizione che lo porti a prendere entrambi i percorsi contemporaneamente, a seconda dello stato quantistico iniziale del fotone. L’amico può essere pensato come un bit quantistico, o qubit, che può essere 0 (il fotone ha preso un percorso) o 1 (ha preso l’altro percorso), o in una sovrapposizione di entrambi. “Puoi pensare ai due percorsi come ai due stati di memoria dell’osservatore“, ha detto Tischler. “E matematicamente, questa è come un’osservazione“.
Alice e Bob possono semplicemente controllare per vedere quale percorso ha preso il fotone (una cosa simile a chiedere a Charlie e Debbie cosa hanno osservato). Oppure possono cancellare i ricordi dei loro amici facendo in modo che i due percorsi interferiscano l’uno con l’altro. Le informazioni sul percorso intrapreso dal fotone vengono cancellate, riportando il fotone al suo stato originale. Alice e Bob possono quindi effettuare le proprie misurazioni.
Dopo circa 90.000 di tali esecuzioni, l’esperimento ha mostrato chiaramente che le disuguaglianze del teorema di amicizia locale sono violate.
La scappatoia qui è ovvia. Charlie e Debbie sono qubit, non persone. E in effetti, i ricercatori dietro il nuovo lavoro non stanno dicendo che dobbiamo ancora abbandonare nessuno dei tre presupposti. “Non stiamo affermando che [il qubit] sia un vero amico o una vera osservazione“, ha detto Wiseman. “Ma ci permette di verificare che la meccanica quantistica viola queste disuguaglianze, anche se sono più difficili da violare delle disuguaglianze di Bell“.
In generale, un ampio dibattito circonda la questione di quanto devono essere grandi e complessi gli osservatori. Con gli atomi l’esperimento funzionerebbe? Con i Virus o le Amebe? Alcuni fisici sostengono che qualsiasi sistema in grado di ottenere informazioni sulla cosa che sta osservando e memorizzare tali informazioni è un osservatore. All’altra estremità dello spettro ci sono quelli che dicono che contano solo gli esseri umani coscienti.
In base a questo particolare esperimento, la gamma di possibili osservatori è estremamente ampia. È già stato eseguito per i qubit. E tutti concordano sul fatto che è impossibile replicarlo se Charlie e Debbie fossero umani.
Il team prevede di effettuare effettivamente l’esperimento in un momento lontano nel futuro in cui l’osservatore potrebbe essere un’intelligenza generale artificiale (AGI) all’interno di un computer quantistico. Un tale sistema potrebbe entrare in una sovrapposizione di osservazione di due risultati diversi. E poiché l’AGI funzionerebbe in un computer quantistico, il processo potrebbe essere invertito, cancellando la memoria dell’osservazione e riportando il sistema al suo stato originale.
Ci sono molti passi da fare lungo la strada che corre tra un singolo qubit e un gigantesco computer quantistico che esegue un’intelligenza artificiale, in cui persone diverse avranno opinioni diverse su dove lungo quella linea si potrebbe dire che sia avvenuta un’osservazione“, ha detto Wiseman. “Il teorema è un teorema completamente rigoroso, ma lascia aperta la questione su cosa sia un evento osservato. Questa è una cosa cruciale“.
E dopotutto, ci sono voluti circa cinque decenni ai fisici per implementare test sperimentali completamente a prova di proiettile della disuguaglianza di Bell. Forse un AGI che opera su un computer quantistico non è così lontano.
Diciamo per amor di discussione che una tale tecnologia un giorno sarà disponibile. Quando i fisici faranno l’esperimento, vedranno una delle due cose.
Forse le disuguaglianze non verranno violate, il che implicherà che la meccanica quantistica non è universalmente valida – che esiste una dimensione massima oltre la quale le regole della teoria quantistica semplicemente non riescono ad applicarsi. Un tale risultato consentirebbe ai ricercatori di mappare con precisione il confine che separa il mondo quantistico da quello classico.
Oppure le disuguaglianze verranno violate, come prevede la meccanica quantistica. In tal caso, una delle tre ipotesi di buon senso dovrà essere abbandonata. Il che porta alla domanda: quale?

Relatività estrema

Il teorema non afferma quale presupposto sia sbagliato. Tuttavia, la maggior parte dei fisici tiene a cuore due dei presupposti. Il primo – che gli sperimentatori possano scegliere quali misurazioni eseguire – sembrerebbe inviolabile.
Il presupposto della “località”, che vieta alle informazioni di viaggiare più velocemente della luce, impedisce ogni sorta di imbarazzo assurdo con causa ed effetto (anche così, i sostenitori della meccanica bohmiana – una teoria che postula una realtà deterministica, nascosta e profondamente non locale – hanno abbandonato questa seconda ipotesi).
Ciò lascia la terza ipotesi: i risultati delle misurazioni sono fatti assoluti e oggettivi per tutti gli osservatori. Časlav Brukner, un teorico quantistico dell’Institute for Quantum Optics and Quantum Information di Vienna, è enfatico sull’ipotesi sbagliata più probabile: “Assolutezza degli eventi osservati“.
Rifiutare l’assolutezza degli eventi osservati metterebbe in dubbio l’interpretazione standard di Copenaghen, in cui i risultati della misurazione sono considerati fatti oggettivi per tutti gli osservatori.
Cos’è rimasto? Altre interpretazioni “simili a Copenaghen” – quelle che sostengono che i risultati delle misurazioni non sono fatti assoluti e oggettivi. Questi includono QBism (un acronimo indipendente pronunciato “cubism” e originariamente derivato da “quantum bayesianism“) e la meccanica quantistica relazionale (RQM), sostenuta dal fisico Carlo Rovelli . QBism insiste sul fatto che lo stato quantistico è soggettivo per ogni osservatore. RQM sostiene che le variabili che descrivono il mondo quantistico, come la posizione di una particella, assumono valori effettivi solo quando un sistema interagisce con un altro. Non solo, il valore di un sistema è sempre relativo al sistema con cui sta interagendo e non è un fatto oggettivo.
Ma è stato difficile per i teoremi no-go distinguere tra l’interpretazione standard di Copenaghen e le sue varianti. Ora, il teorema dell’amicizia locale fornisce un modo per separarli almeno in due categorie, con lo standard Copenhagen da un lato e, diciamo, QBism e RQM dall’altro.
Qui hai qualcosa che dice davvero qualcosa di significativo“, ha detto Leifer. “In un certo senso, fa davvero rivalutare i QBist e Rovelli“.
Naturalmente, i sostenitori di altre interpretazioni potrebbero semplicemente affermare che una violazione delle disuguaglianze invaliderebbe uno degli altri due presupposti: libertà di scelta o località.
Tutto questo sforzo suggerisce che è tempo di ripensare a ciò che vogliamo da una teoria, ha detto Jeffrey Bub, filosofo della fisica dell’Università del Maryland, College Park, che lavora sui fondamenti quantistici. “Questo tentativo di trasformare la meccanica quantistica in uno stampo classico non è proprio il modo giusto per farlo“, ha detto, riferendosi ai tentativi di comprendere il mondo quantistico attraverso una lente classica. “Dovremmo cercare di allineare il modo in cui pensiamo a ciò che vogliamo da una teoria in termini di ciò che la meccanica quantistica offre effettivamente, senza cercare di dire: ‘Beh, in qualche modo è inadeguato, in qualche modo è difettoso. Può darsi che siamo bloccati con teorie di tipo quantistico“.
In tal caso, prendere la posizione che un’osservazione è soggettiva e valida solo per un dato osservatore – e che non esiste una “vista dal nulla” del tipo fornito dalla fisica classica – può essere un primo passo necessario e radicale.
Fonte: Quanta Magazine