Il Premio Nobel per la Fisica 2022 è stato assegnato ad Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger “per gli esperimenti con fotoni entangled, che hanno stabilito la violazione delle disuguaglianze di Bell e hanno aperto la strada alla scienza dell’informazione quantistica”.
Il trio e i loro team hanno eseguito esperimenti pionieristici nella fisica quantistica già negli anni ’70, quando la teoria quantistica è stata oggetto di accesi dibattiti. Questi includevano se la teoria fosse “completa” nonostante le sue strane previsioni (incluso il famoso “entanglement quantistico“), o se dovremmo aggiungere ingredienti per renderla più vicina al buon senso – domande che il lavoro di Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger hanno chiarito, seminando i semi della “seconda rivoluzione quantistica”.
Uno sguardo alla saga dell’entanglement quantistico
L’entanglement quantistico è stato effettivamente scoperto… per caso. Nel tentativo di dimostrare che la teoria quantistica era incompleta, Einstein e colleghi hanno inventato un esperimento che è stato eseguito mezzo secolo dopo e che ha lanciato gli sviluppi tecnologici che stiamo ancora portando avanti oggi.
All’inizio del 20° secolo, la fisica quantistica era appena nata e le sue fondamenta erano ancora fragili. I fisici stavano rapidamente costruendo una nuova teoria volta a descrivere gli atomi e tutti i fenomeni su scala microscopica, ma questa teoria era accompagnata da molte sorprese e conseguenze indesiderate per le menti abituate alla logica scientifica del 19° secolo.
In particolare, sembrava che le quantità fisiche, come la posizione di una particella, non potessero essere generalmente conosciute con esattezza: solo le probabilità di assumere tale o tale valore potevano essere previste dalla teoria. Ad esempio, non possiamo prevedere che un atomo sia qui o lì, ma solo che ha una probabilità di 1/3 di essere qui e 2/3 di essere lì. La cosa più sorprendente è che questa mancanza di prevedibilità non è la conseguenza di alcuna difficoltà pratica nel misurare la grandezza con grande precisione, ma piuttosto una vera e fondamentale impossibilità di attribuirle un valore preciso.
Albert Einstein, a cui questo indeterminismo quantistico colpì profondamente, aveva lanciato la famosa frase “Dio non gioca a dadi”.
Un tentativo di dimostrare per assurdo che la teoria quantistica è incompleta
Nel 1935 Einstein scrisse con Boris Podolsky e Nathan Rosen un articolo che mira a dimostrare per reductio ad absurdum che la teoria quantistica è, così com’è, incompleta: manca ancora una parte della teoria che dovrebbe consentire di ripristinare il determinismo e dare un valore come dovrebbe a qualsiasi grandezza fisica misurabile.
L’articolo dei tre scienziati presenta un “esperimento mentale”, lo scenario di una situazione in cui due particelle manifestano la sorprendente proprietà dell’entanglement quantistico: pur trovandosi a distanza l’una dall’altra, la misura di una di esse (ad esempio la misurazione della sua posizione) sembra avere un effetto istantaneo sull’altro. Sfruttando questa stranezza, gli scienziati dimostrano che sembra possibile assegnare un valore preciso sia alla posizione che alla velocità di una particella misurando l’altra, laddove la teoria quantistica lo vieta in virtù del famoso principio di incertezza di Heisenberg. Concludono che questa teoria dovrebbe quindi essere integrata, altrimenti indurrebbe un “danno collaterale”: l’entanglement quantistico.
Einstein rimane in particolare perplesso di fronte alla possibile “azione a distanza” tra due particelle aggrovigliate, che mina la località delle leggi di natura, principio fisico a lui caro. In effetti, per Einstein, dobbiamo essere in grado di definire tutte le quantità fisiche localmente, in ogni punto dello spazio, indipendentemente da ciò che sta accadendo altrove.
L’entanglement quantistico esiste davvero, lo dimostrano Alain Aspect e il suo team
Per diversi decenni, l’entanglement quantistico rimane un concetto trascurato dalla maggior parte dei fisici perché non influisce sul rapido sviluppo e sui numerosi successi della fisica quantistica. Anche quando John Bell identificò nel 1964 un possibile modo per confermare o invalidare questa singolarità quantistica mediante un esperimento, ebbe scarse ripercussioni. Ma finalmente, dopo un primo tentativo di Stuart Freedman e John Clauser nel 1972, fu soprattutto nel 1981 che un famoso esperimento condotto da Alain Aspect e dal suo team aprì la strada a quella che era appunto la conferma della “non località” quantistica, invalidando al tempo stesso l’ipotesi dell’incompletezza della teoria quantistica. L’entanglement quantistico è reale!
Contrariamente a quanto previsto da Einstein, la fisica quantistica non è quindi una teoria locale, anche se rimane comunque causale: l’azione remota indotta dall’entanglement quantistico non apre la strada alla possibilità di comunicare a velocità superiore a quella della luce.
Particelle intimamente legate mentre sono distanti diverse decine di chilometri
Oggi, l’entanglement quantistico è una proprietà fisica accettata. È stato verificato da molti team in tutto il mondo. L’entanglement quantistico di due fotoni, può essere ottenuto ad esempio da un processo chiamato “fluorescenza parametrica” che avviene in uno speciale materiale illuminato da un laser. È quindi possibile inviare fotoni intimamente legati sin dalla loro “nascita” tramite entanglement quantistico in diverse direzioni su grandi distanze.
Pertanto, numerosi esperimenti hanno potuto dimostrare l’entanglement di fotoni trasmessi su distanze di poche decine di chilometri utilizzando fibre ottiche o direttamente, all’aria aperta. Il record di distanza è attualmente detenuto dal fisico cinese Jian-Wei Pan e dal suo team: nel 2017 hanno lanciato in orbita il satellite Micius, dotato di una sorgente di entanglement quantistico, grazie alla quale sono stati in grado di inviare coppie di fotoni gemelli a due basi a 1200 chilometri di distanza.
Inoltre, l’entanglement quantistico non si limita ai fotoni; In laboratorio si osservano anche atomi o ioni entangled. Un famoso esperimento è stato condotto nel 2015 da Ronald Hanson e dai suoi colleghi dell’Università di Delft, nei Paesi Bassi, che prevedeva la rotazione di un “centro colorato” in una scheggia di diamante. La distanza tra i due sistemi è di soli 1,3 km, ma qui il punto è ottenere una cosiddetta validazione “sperimentale impeccabile” di non-località, il che significa grosso modo che non si può nemmeno immaginare un ipotetico modello fisico che sarebbe locale ma che sfrutterebbe le inevitabili imperfezioni del dispositivo sperimentale per assumere le sembianze della non-località. Non possiamo davvero evitare la non località quantistica!
Per completezza, tuttavia, va notato che un esperimento non può mai escludere del tutto un modello fisico locale, dove tutto sarebbe predeterminato in anticipo, compresa l’apparente libera scelta dello sperimentatore e i risultati di tutte le misurazioni, ma tale ipotesi tocca più su un interrogatorio filosofico e si discosta dalla logica operativa predittiva della fisica. La comunità dei fisici è quindi fortemente convinta del carattere non locale dell’entanglement quantistico.
Applicazioni dell’entanglement quantistico
Infine, l’entanglement quantistico apre la strada ad applicazioni che non erano nemmeno sospettate trent’anni fa. Sappiamo che, oltre ad essere una proprietà insolita della fisica quantistica, può anche fungere da risorsa che consente l’implementazione di telecomunicazioni o metodi di calcolo che vanno al di là di tutto ciò che consente la fisica classica.
Uno dei più emblematici è il teletrasporto quantistico, che, nonostante questo termine fantascientifico, copre la possibilità molto reale di “smaterializzare” lo stato quantistico di una particella, per poi “rimaterializzarla” su un altro supporto. È anche possibile sfruttare l’entanglement quantistico per stabilire una comunicazione crittografata tra due persone, la sicurezza è garantita dal semplice fatto che ogni eventuale dispositivo spia deve rispettare le leggi della fisica quantistica. L’entanglement è anche la base dei computer quantistici. Questi dispositivi, attualmente in fase di sviluppo, dovrebbero consentire di eseguire algoritmi quantistici che battono i computer più potenti. Questi sviluppi sono al centro della scienza dell’informazione quantistica, un campo in rapida crescita nel mondo.
Autore
Nicolas Cerf, Libera Università di Bruxelles (ULB)
