Le previsioni della meccanica quantistica a volte sono difficili da mettere in relazione con le idee sul mondo classico. Mentre la posizione e la quantità di moto di una particella classica possono essere misurate simultaneamente, nel caso quantistico, puoi conoscere solo la probabilità di trovare una particella in uno stato o nell'altro. Inoltre, la teoria quantistica afferma che quando due sistemi sono coinvolti, la misurazione dello stato di uno di essi influisce immediatamente sull'altro. Nel 2015, tre gruppi di fisici hanno compiuto progressi significativi nella comprensione della natura dell'entanglement quantistico e del teletrasporto. Physics Today e Lenta.ru parlano dei risultati degli scienziati.
Albert Einstein non era d'accordo con l'interpretazione probabilistica della meccanica quantistica. Fu a questo proposito che disse che "Dio non gioca a dadi" (al quale il fisico danese Niels Bohr replicò in seguito che non spettava a Einstein decidere cosa fare con Dio). Lo scienziato tedesco non accettava l'incertezza inerente al micromondo e considerava corretto il determinismo classico. Il creatore della teoria della relatività generale credeva che, nel descrivere il micromondo, la meccanica quantistica non tenesse conto di alcune variabili nascoste, senza le quali la teoria quantistica stessa è incompleta. Lo scienziato ha suggerito di cercare parametri nascosti quando si misura uno stato quantistico con uno strumento classico: questo processo comporta un cambiamento nel primo per il secondo, ed Einstein ha ritenuto possibile sperimentare dove non c'è tale cambiamento.
Da allora, gli scienziati hanno cercato di determinare se esistono variabili nascoste nella meccanica quantistica o se era un'invenzione di Einstein. Il problema delle variabili nascoste fu formalizzato nel 1964 dal fisico teorico britannico John Bell. Ha proposto l'idea di un esperimento in cui la presenza di qualche parametro nascosto nel sistema può essere rilevata conducendo un'analisi statistica di una serie di esperimenti speciali. L'esperimento era così. Un atomo è stato posto in un campo esterno, emettendo contemporaneamente una coppia di fotoni, che si sono dispersi in direzioni opposte. Il compito degli sperimentatori è quello di effettuare più misurazioni della direzione degli spin del fotone.
Ciò consentirebbe di raccogliere le statistiche necessarie e, utilizzando le disuguaglianze di Bell, che sono una descrizione matematica della presenza di parametri nascosti nella meccanica quantistica, verificare il punto di vista di Einstein. La principale difficoltà risiedeva nell'attuazione pratica dell'esperimento, che i fisici successivi riuscirono a riprodurre. I ricercatori hanno dimostrato che molto probabilmente non ci sono parametri nascosti nella meccanica quantistica. Nel frattempo, c'erano due scappatoie in teoria (posizione e rilevamento) che potevano dimostrare che Einstein aveva ragione. In generale, ci sono più scappatoie. Gli esperimenti del 2015 li hanno chiusi e hanno confermato che molto probabilmente non c'è realismo locale nel microcosmo.
"Azione spettrale" tra Bob e Alice
Immagine: JPL-Caltech / NASA
Stiamo parlando degli esperimenti di tre gruppi di fisici: dalla Delft Technical University nei Paesi Bassi, dal National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti e dall'Università di Vienna in Austria. Gli esperimenti degli scienziati non solo hanno confermato la completezza della meccanica quantistica e l'assenza di parametri nascosti in essa, ma hanno anche aperto nuove possibilità di crittografia quantistica - un metodo di crittografia delle informazioni (proteggendole) utilizzando l'entanglement quantistico utilizzando protocolli quantistici - e hanno portato alla creazione di algoritmi indistruttibili per la generazione numeri casuali.
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L'entanglement quantistico è un fenomeno in cui gli stati quantistici delle particelle (ad esempio, lo spin di un elettrone o la polarizzazione di un fotone), separati da una distanza l'uno dall'altro, non possono essere descritti indipendentemente. La procedura per misurare lo stato di una particella porta a un cambiamento nello stato di un'altra. In un tipico esperimento di entanglement quantistico, agenti interagenti distanziati - Alice e Bob - possiedono ciascuno una particella (fotoni o elettroni) da una coppia di particelle entangled. La misurazione di una particella da parte di uno degli agenti, ad esempio Alice, è correlata con lo stato dell'altro, sebbene Alice e Bob non conoscano in anticipo le manipolazioni reciproche.
Ciò significa che le particelle in qualche modo immagazzinano informazioni l'una sull'altra e non le scambiano, diciamo, alla velocità della luce usando alcune interazioni fondamentali note alla scienza. Albert Einstein l'ha definita "azione spettrale a distanza". Le particelle intrappolate violano il principio di località, secondo il quale lo stato di un oggetto può essere influenzato solo dal suo ambiente immediato. Questa contraddizione è associata al paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (che suggerisce la suddetta incompletezza della meccanica quantistica e la presenza di parametri nascosti) e costituisce una delle principali difficoltà concettuali (che, però, non è più considerato un paradosso) della meccanica quantistica (almeno nella sua interpretazione di Copenhagen).
Schema dell'esperimento degli scienziati olandesi
Foto: arXiv.org
I fautori del realismo locale sostengono che solo le variabili locali possono influenzare le particelle e la correlazione tra le particelle di Alice e Bob viene effettuata utilizzando un metodo nascosto che gli scienziati ancora non conoscono. Il compito degli scienziati era di confutare sperimentalmente questa possibilità, in particolare per impedire la propagazione di un segnale nascosto da un agente all'altro (supponendo che si muova alla velocità della luce nel vuoto - il massimo possibile in natura), e quindi mostrare che si è verificato un cambiamento nello stato quantistico della seconda particella prima che il segnale latente della prima particella possa raggiungere la seconda.
In pratica, questo significa posizionare Bob e Alice a una distanza considerevole l'uno dall'altro (almeno decine di metri). Ciò impedisce la propagazione di qualsiasi segnale su un cambiamento nello stato di una delle particelle prima di misurare lo stato dell'altra (location trap). Nel frattempo, l'imperfezione di rilevare lo stato quantistico di singole particelle (soprattutto fotoni) lascia spazio a una scappatoia di campionamento (o rilevamento). Per la prima volta, i fisici della Delft University of Technology sono riusciti a evitare due difficoltà contemporaneamente.
Nell'esperimento, abbiamo utilizzato una coppia di rilevatori di diamanti con un separatore di segnale tra di loro. Gli scienziati hanno preso una coppia di fotoni non entangled e li hanno dispersi in spazi diversi. Quindi ciascuno degli elettroni è stato impigliato con una coppia di fotoni, che sono stati quindi spostati nel terzo spazio. Nel corso degli esperimenti, è stato possibile osservare che un cambiamento nello stato (spin) di uno degli elettroni ha influenzato l'altro. In sole 220 ore (oltre 18 giorni), i fisici hanno testato la disuguaglianza di Bell 245 volte. Le quantità di elettroni osservate sono state misurate utilizzando raggi laser.
Nell'esperimento, è stato possibile misurare gli stati quantistici delle particelle separate da una distanza di circa 1,3 chilometri e mostrare la validità della disuguaglianza di Bell (cioè la validità della teoria quantistica e l'errore del concetto di realismo locale). I risultati di questo studio sono pubblicati sulla rivista Nature. Si prevede che i suoi autori abbiano un premio Nobel per la fisica.
Posizione dei rivelatori nell'esperimento olandese
Foto: arXiv.org
Squadre provenienti da Stati Uniti e Austria hanno sperimentato i fotoni. Quindi, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology sono stati in grado di battere il record per la distanza di teletrasporto quantistico (trasmissione dello stato quantistico di un sistema su una distanza) su un cavo in fibra ottica, eseguendolo a una distanza di 102 chilometri. Per fare questo, gli scienziati hanno utilizzato quattro rivelatori a fotone singolo creati nello stesso istituto sulla base di nanofili superconduttori (raffreddati a meno 272 gradi Celsius) fatti di molibdeno siliceo. Solo l'1% dei fotoni ha percorso una distanza di 102 chilometri. Il record precedente per la distanza del teletrasporto quantistico su fibra era di 25 chilometri (per confronto: il record per la distanza del teletrasporto quantistico via aria era di 144 chilometri).
Gli scienziati austriaci hanno utilizzato sensori più efficienti di quelli americani, ma la risoluzione temporale negli esperimenti dei fisici statunitensi è molto più alta. A differenza dei fisici olandesi, il cui setup ha registrato circa un evento all'ora, gli scienziati degli Stati Uniti e dell'Austria sono stati in grado di condurre più di mille test al secondo, il che praticamente esclude qualsiasi correlazione casuale nei risultati sperimentali.
Gli scienziati stanno attualmente cercando di migliorare l'efficienza degli esperimenti: trasportano le particelle a distanze sempre maggiori e aumentano la frequenza di misurazione. Sfortunatamente, l'allungamento del canale ottico porta a una perdita nella frazione di particelle rilevate e attualizza nuovamente il pericolo di una lacuna di rilevamento. Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology stanno cercando di combattere questo problema utilizzando un generatore di numeri casuali quantistici negli esperimenti. In questo caso, non è necessario trasportare fotoni su lunghe distanze e la tecnologia creata sarà utile nella crittografia quantistica.
Andrey Borisov
