Oltre: Un Fisico Ha Spiegato Come Aggirare Le Leggi Della Meccanica Quantistica - Visualizzazione Alternativa

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Oltre: Un Fisico Ha Spiegato Come Aggirare Le Leggi Della Meccanica Quantistica - Visualizzazione Alternativa
Oltre: Un Fisico Ha Spiegato Come Aggirare Le Leggi Della Meccanica Quantistica - Visualizzazione Alternativa

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Video: Oltre il LIMITE della FISICA QUANTISTICA 2024, Marzo
Anonim

Professore di fisica al Niels Bohr Institute di Copenhagen, uno dei pionieri del teletrasporto quantistico, Eugene Polzik, ha spiegato a RIA Novosti dove si trova il confine tra i mondi "reale" e "quantistico", perché una persona non può essere teletrasportata e come è riuscito a creare materia con "massa negativa".

Cinque anni fa, il suo team ha implementato per la prima volta un esperimento per teletrasportare non un singolo atomo o particella di luce, ma un oggetto macroscopico.

Recentemente ha presieduto il comitato consultivo internazionale del Russian Quantum Center (RQC), in sostituzione di Mikhail Lukin, il creatore di uno dei più grandi computer quantistici al mondo e leader mondiale nel calcolo quantistico. Secondo il professor Polzik, si concentrerà sullo sviluppo e la realizzazione del potenziale intellettuale dei giovani scienziati russi e sul rafforzamento della partecipazione internazionale al lavoro dell'RCC.

“Eugene, l'umanità sarà mai in grado di teletrasportare più di singole particelle o una raccolta di atomi o altri oggetti macroscopici?

- Non hai idea di quanto spesso mi venga fatta questa domanda - grazie per non avermi chiesto se è possibile teletrasportare una persona. In termini molto generali, la situazione è la seguente.

L'universo è un oggetto gigantesco, impigliato a livello quantistico. Il problema è che non siamo in grado di "vedere" tutti i gradi di libertà di questo oggetto. Se prendiamo un oggetto di grandi dimensioni in un tale sistema e proviamo a considerarlo, le interazioni di questo oggetto con altre parti del mondo daranno origine a quello che viene chiamato uno "stato misto" in cui non vi è entanglement.

Il cosiddetto principio della monogamia opera nel mondo quantistico. Si esprime nel fatto che se abbiamo due oggetti idealmente intrecciati, allora entrambi non possono avere le stesse forti "connessioni invisibili" con nessun altro oggetto del mondo circostante, come l'uno con l'altro.

Eugene Polzik, professore presso l'Istituto Niels Bohr di Copenaghen e capo del comitato consultivo internazionale dell'RCC. Foto: RCC
Eugene Polzik, professore presso l'Istituto Niels Bohr di Copenaghen e capo del comitato consultivo internazionale dell'RCC. Foto: RCC

Eugene Polzik, professore presso l'Istituto Niels Bohr di Copenaghen e capo del comitato consultivo internazionale dell'RCC. Foto: RCC.

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Tornando alla questione del teletrasporto quantistico, ciò significa che, in linea di principio, nulla ci impedisce di confondere e teletrasportare un oggetto delle dimensioni almeno dell'intero Universo, ma in pratica ci impedirà di vedere tutte queste connessioni contemporaneamente. Pertanto, dobbiamo isolare gli oggetti macro dal resto del mondo quando conduciamo tali esperimenti e consentire loro di interagire solo con gli oggetti "necessari".

Ad esempio, nei nostri esperimenti è stato possibile ottenere questo risultato per una nuvola contenente un trilione di atomi, perché erano nel vuoto e tenuti in una trappola speciale che li isolava dal mondo esterno. Queste telecamere, tra l'altro, sono state sviluppate in Russia, nel laboratorio di Mikhail Balabas all'Università statale di San Pietroburgo.

Successivamente siamo passati agli esperimenti su oggetti più grandi che possono essere visti ad occhio nudo. E ora stiamo conducendo un esperimento sul teletrasporto di vibrazioni che si generano in sottili membrane fatte di materiali dielettrici con dimensioni di un millimetro per millimetro.

Ora, d'altra parte, sono personalmente più interessato ad altre aree della fisica quantistica, in cui, mi sembra, avverranno vere scoperte nel prossimo futuro. Sicuramente sorprenderanno tutti.

Dove esattamente?

- Sappiamo tutti bene che la meccanica quantistica non ci permette di conoscere tutto ciò che accade nel mondo che ci circonda. A causa del principio di indeterminazione di Heisenberg, non possiamo misurare simultaneamente tutte le proprietà degli oggetti con la massima precisione possibile. E in questo caso il teletrasporto si trasforma in uno strumento che ci permette di aggirare questa limitazione, trasferendo non informazioni parziali sullo stato dell'oggetto, ma l'intero oggetto stesso.

Le stesse leggi del mondo quantistico ci impediscono di misurare con precisione la traiettoria del moto di atomi, elettroni e altre particelle, poiché è possibile scoprire la velocità esatta del loro movimento o la loro posizione. In pratica, ciò significa che la precisione di tutti i tipi di sensori di pressione, movimento e accelerazione è strettamente limitata dalla meccanica quantistica.

Recentemente ci siamo resi conto che non è sempre così: tutto dipende da cosa intendiamo per "velocità" e "posizione". Ad esempio, se durante tali misurazioni non utilizziamo sistemi di coordinate classici, ma le loro controparti quantistiche, questi problemi scompariranno.

In altre parole, nel sistema classico stiamo cercando di determinare la posizione di una particolare particella rispetto, grosso modo, a un tavolo, una sedia o qualche altro punto di riferimento. In un sistema di coordinate quantistiche, lo zero sarà un altro oggetto quantistico con cui interagisce il sistema che ci interessa.

Si è scoperto che la meccanica quantistica consente di misurare entrambi i parametri - sia la velocità di movimento che la traiettoria - con un'accuratezza infinitamente elevata per una certa combinazione di proprietà del punto di riferimento. Qual è questa combinazione? Una nuvola di atomi che funge da zero del sistema di coordinate quantistiche deve avere una massa negativa effettiva.

In effetti, ovviamente, questi atomi non hanno "problemi di peso", ma si comportano come se avessero massa negativa, per il fatto che si trovano in modo speciale l'uno rispetto all'altro e si trovano all'interno di un campo magnetico speciale. Nel nostro caso, questo porta al fatto che l'accelerazione della particella diminuisce, ma non aumenta la sua energia, il che è assurdo dal punto di vista della fisica nucleare classica.

Questo ci aiuta a sbarazzarci dei cambiamenti casuali nella posizione delle particelle o nella loro velocità di movimento che si verificano quando misuriamo le loro proprietà con laser o altre sorgenti di fotoni. Se posizioniamo una nuvola di atomi con "massa negativa" nel percorso di questo raggio, prima interagirà con loro, poi volerà attraverso l'oggetto in esame, questi disturbi casuali si eliminano a vicenda e saremo in grado di misurare tutti i parametri con una precisione infinitamente elevata.

Tutto questo è lontano dalla teoria: alcuni mesi fa abbiamo già testato queste idee sperimentalmente e abbiamo pubblicato il risultato sulla rivista Nature.

Ci sono usi pratici per questo?

- Un anno fa, ho già detto, parlando a Mosca, che un principio simile di "rimozione" dell'incertezza quantistica può essere utilizzato per migliorare l'accuratezza del lavoro di LIGO e di altri osservatori gravitazionali.

Allora era solo un'idea, ma ora ha cominciato a prendere forma. Stiamo lavorando alla sua implementazione insieme a uno dei pionieri delle misurazioni quantistiche e partecipante al progetto LIGO, il professor Farid Khalili dell'RCC e dell'Università statale di Mosca.

Ovviamente, non stiamo parlando dell'installazione di un tale sistema sul rilevatore stesso: questo è un processo molto complicato e richiede tempo, e LIGO stesso ha dei piani in cui semplicemente non possiamo entrare. D'altra parte, sono già interessati alle nostre idee e sono pronti ad ascoltarci ulteriormente.

In ogni caso, devi prima creare un prototipo funzionante di tale installazione, che mostrerà che possiamo davvero oltrepassare il confine nell'accuratezza della misurazione imposta dal principio di indeterminazione di Heisenberg e da altre leggi del mondo quantistico.

Condurremo i primi esperimenti di questo tipo su un interferometro di dieci metri ad Hannover, una copia più piccola di LIGO. Stiamo ora assemblando tutti i componenti necessari per questo sistema, compreso un supporto, sorgenti luminose e una nuvola di atomi. Se ci riusciamo, sono certo che i nostri colleghi americani ci ascolteranno: non ci sono altri modi per aggirare il limite quantico ancora.

I sostenitori delle teorie quantistiche deterministiche, che credono che le possibilità non esistano nel mondo quantistico, considereranno tali esperimenti come una prova della correttezza delle loro idee?

- Ad essere onesti, non so cosa ne pensino. L'anno prossimo organizzeremo una conferenza a Copenaghen sui confini tra fisica classica e quantistica e questioni filosofiche simili, e loro possono partecipare se vogliono presentare la loro visione di questo problema.

Io stesso aderisco alla classica interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica e ammetto che le funzioni d'onda non hanno dimensioni limitate. Finora non vediamo alcun segno che le sue disposizioni siano state violate da qualche parte o in contrasto con la pratica.

Laboratorio di ottica quantistica presso il Centro quantistico russo. Foto: RCC
Laboratorio di ottica quantistica presso il Centro quantistico russo. Foto: RCC

Laboratorio di ottica quantistica presso il Centro quantistico russo. Foto: RCC.

Negli ultimi anni, i fisici hanno eseguito innumerevoli test delle disuguaglianze di Bell e del paradosso di Einstein-Podolski-Rosen, che escludono completamente la possibilità che il comportamento degli oggetti a livello quantistico possa essere controllato da alcune variabili nascoste o altre cose al di fuori dell'ambito della teoria quantistica classica.

Ad esempio, alcuni mesi fa c'è stato un altro esperimento che ha chiuso tutti i possibili "buchi" nelle equazioni di Bell usate dai sostenitori della teoria delle variabili nascoste. Non possiamo che, parafrasando Niels Bohr e Richard Feynman, "taci e sperimenta": mi sembra che dovremmo porci solo quelle domande a cui è possibile rispondere attraverso gli esperimenti.

Se torniamo al teletrasporto quantistico - visti i problemi che hai descritto: troverà applicazione nei computer quantistici, nei satelliti di comunicazione e in altri sistemi?

- Sono sicuro che le tecnologie quantistiche penetreranno sempre di più nei sistemi di comunicazione e entreranno rapidamente nella nostra vita quotidiana. Come esattamente non è ancora chiaro: le informazioni, ad esempio, possono essere trasmesse sia attraverso il teletrasporto che attraverso normali linee in fibra ottica utilizzando sistemi di distribuzione di chiavi quantistiche.

La memoria quantistica, a sua volta, credo, diventerà anche una realtà dopo un po '. Come minimo, sarà necessario creare ripetitori per segnali e sistemi quantistici. D'altra parte, è difficile prevedere come e quando tutto ciò verrà implementato.

Prima o poi, il teletrasporto quantistico non diventerà esotico, ma una cosa di tutti i giorni che tutti possono usare. Naturalmente, è improbabile che assisteremo a questo processo, ma i risultati del suo lavoro, comprese le reti di trasmissione dati sicure e i sistemi di comunicazione satellitare, giocheranno un ruolo enorme nelle nostre vite.

Fino a che punto le tecnologie quantistiche penetreranno in altre sfere della scienza e della vita che non sono correlate all'IT o alla fisica?

- Questa è una buona domanda, a cui è ancora più difficile rispondere. Quando apparvero i primi transistor, molti scienziati credevano che avrebbero trovato impiego solo negli apparecchi acustici. Questo è quello che è successo, anche se ora solo una piccolissima percentuale di dispositivi a semiconduttore viene utilizzata in questo modo.

Tuttavia, mi sembra che si verificherà davvero una svolta quantica, ma non ovunque. Ad esempio, qualsiasi gadget e dispositivo che interagisce con l'ambiente e in qualche modo ne misura le proprietà raggiungerà inevitabilmente il limite quantico, di cui abbiamo già discusso. E le nostre tecnologie li aiuteranno a superare questo limite, o almeno a ridurre al minimo le interferenze.

Inoltre, abbiamo già risolto uno di questi problemi utilizzando lo stesso approccio "massa negativa", migliorando i sensori di campo magnetico quantistico. Tali dispositivi possono trovare applicazioni biomediche molto specifiche: possono essere utilizzati per monitorare il lavoro del cuore e del cervello, valutando le possibilità di avere un infarto e altri problemi.

I miei colleghi dell'RCC stanno facendo qualcosa di simile. Ora stiamo discutendo insieme cosa abbiamo ottenuto, cercando di combinare i nostri approcci e ottenere qualcosa di più interessante.

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