Nuova luce sull’entanglement, uno dei misteri della meccanica quantistica

Fisica

L’anno 2025 segna il 100° anniversario della nascita della meccanica quantistica. Nel secolo trascorso dall’inizio del campo, scienziati e ingegneri hanno utilizzato la meccanica quantistica per creare tecnologie come laser, scanner MRI e chip per computer.

Oggi, i ricercatori stanno cercando di costruire computer quantistici e di trovare modi per trasferire informazioni in modo sicuro utilizzando un campo gemello completamente nuovo, la scienza dell’informazione quantistica.

Ma nonostante la creazione di tutte queste tecnologie rivoluzionarie, fisici e filosofi che studiano la meccanica quantistica non hanno ancora trovato le risposte ad alcune grandi domande sollevate dai fondatori del campo. Dati i recenti sviluppi nella scienza dell’informazione quantistica, ricercatori stanno usando la teoria dell’informazione quantistica per esplorare nuovi modi di pensare a queste domande fondamentali senza risposta. E una direzione che stanno esaminando collega il principio di relatività di Albert Einstein al qubit.

Indice

Computer quantistici

La scienza dell’informazione quantistica si concentra sulla costruzione di computer quantistici basati sul “bit” quantistico di informazione, o qubit. Il qubit è storicamente fondato sulle scoperte dei fisici Max Planck ed Einstein. Hanno avviato lo sviluppo della meccanica quantistica rispettivamente nel 1900 e nel 1905, quando hanno scoperto che la luce esiste in fasci di energia discreti o “quantici”.

Questi quanti di energia si presentano anche in piccole forme di materia, come atomi ed elettroni, che costituiscono tutto nell’universo. Sono le strane proprietà di questi minuscoli pacchetti di materia ed energia che sono responsabili dei vantaggi computazionali del qubit.

Un computer basato su un bit quantistico piuttosto che su un bit classico potrebbe avere un vantaggio computazionale significativo. E questo perché un bit classico produce una risposta binaria, un 1 o uno 0, a una sola query.

Al contrario, il qubit produce una risposta binaria a infinite query usando la proprietà della sovrapposizione quantistica. Questa proprietà consente ai ricercatori di collegare più qubit in quello che viene chiamato uno stato di entanglement quantistico. Qui, i qubit entangled agiscono collettivamente in un modo che gli array di bit classici non possono.

Ciò significa che un computer quantistico può eseguire alcuni calcoli molto più velocemente di un computer ordinario. Ad esempio, un dispositivo avrebbe utilizzato 76 qubit entangled per risolvere un problema di campionamento 100 trilioni di volte più velocemente di un computer classico.

Ma la forza o il principio esatto della natura responsabile di questo stato di entanglement quantistico che sta alla base del calcolo quantistico è una grande domanda senza risposta. Una soluzione che i ricercatori della teoria dell’informazione quantistica hanno proposto ha a che fare con il principio di relatività di Einstein.

Teoria dell’informazione quantistica

Il principio di relatività afferma che le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori, indipendentemente da dove si trovino nello spazio, da come siano orientati o da come si muovano l’uno rispetto all’altro. Un team ha mostrato come usare il principio di relatività insieme ai principi della teoria dell’informazione quantistica per spiegare le particelle quantistiche entangled.

I teorici dell’informazione quantistica pensano alla meccanica quantistica come a una teoria dei principi dell’informazione piuttosto che a una teoria delle forze. Ciò è molto diverso dal tipico approccio alla fisica quantistica, in cui forza ed energia sono concetti importanti per fare i calcoli. Al contrario, i teorici dell’informazione quantistica non hanno bisogno di sapere che tipo di forza fisica potrebbe causare il misterioso comportamento delle particelle quantistiche aggrovigliate.

Ciò ci offre un vantaggio nella spiegazione dell’entanglement quantistico perché, come dimostrò il fisico John Bell nel 1964, qualsiasi spiegazione dell’entanglement quantistico in termini di forze richiede ciò che Einstein chiamava “azioni spettrali a distanza”.

Questo perché i risultati delle misurazioni delle due particelle quantistiche aggrovigliate sono correlati, anche se tali misurazioni vengono eseguite contemporaneamente e le particelle sono fisicamente separate da una grande distanza. Quindi, se una forza sta causando l’entanglement quantistico, dovrebbe agire più velocemente della velocità della luce. E una forza più veloce della luce viola la teoria della relatività speciale di Einstein.

Molti ricercatori stanno cercando di trovare una spiegazione dell’entanglement quantistico che non richieda azioni inquietanti a distanza.

Entanglement classico e quantistico

Nell’entanglement, è possibile sapere qualcosa su due particelle collettivamente (chiamiamole particella 1 e particella 2), così che quando si misura la particella 1, si sa immediatamente qualcosa sulla particella 2.

Immagina di spedire per posta due amici, che i fisici chiamano tipicamente Alice e Bob, a ciascuno un guanto dello stesso paio di guanti. Quando Alice apre la sua scatola e vede un guanto sinistro, saprà immediatamente che quando Bob aprirà l’altra scatola vedrà il guanto destro. Ogni combinazione di scatola e guanto produce uno dei due risultati, un guanto destro o un guanto sinistro. C’è una sola misurazione possibile, ovvero l’apertura della scatola, quindi Alice e Bob hanno intrecciato bit classici di informazioni.

Ma nell’entanglement quantistico la situazione coinvolge qubit entangled, che si comportano in modo molto diverso rispetto ai bit classici.

Comportamento del qubit

Considerate una proprietà degli elettroni chiamata spin. Quando misurate lo spin di un elettrone usando magneti orientati verticalmente, ottenete sempre uno spin che è verso l’alto o verso il basso, niente in mezzo. Questo è un risultato di misurazione binaria, quindi questa è un po’ di informazione.

Se si girano i magneti sui lati per misurare lo spin di un elettrone orizzontalmente, si ottiene sempre uno spin che è a sinistra o a destra, niente in mezzo. Gli orientamenti verticale e orizzontale dei magneti costituiscono due diverse misurazioni di questo stesso bit. Quindi, lo spin dell’elettrone è un qubit: produce una risposta binaria a più misurazioni.

Sovrapposizione quantistica

Ora supponiamo che tu misuri prima lo spin di un elettrone verticalmente e trovi che è in alto, poi misuri il suo spin orizzontalmente. Quando stai dritto in piedi, non ti muovi per niente né a destra né a sinistra. Quindi, se misuro quanto ti muovi da un lato all’altro mentre stai dritto in piedi, otterrò zero.

Questo è esattamente ciò che ci si potrebbe aspettare per gli elettroni verticali spin up. Dal momento che hanno spin up orientato verticalmente, analogamente a stare dritti in piedi, non dovrebbero avere alcuno spin a sinistra o a destra orizzontalmente, analogamente a muoversi da un lato all’altro.

Sorprendentemente, i fisici hanno scoperto che metà di loro sono orizzontalmente a destra e metà orizzontalmente a sinistra. Ora non sembra avere senso che un elettrone verticale con spin verso l’alto abbia risultati di spin sinistro (-1) e spin destro (+1) quando misurato orizzontalmente, proprio come non ci aspettiamo alcun movimento laterale quando stiamo dritti in piedi.

Ma quando si sommano tutti i risultati di spin a sinistra (-1) e a destra (+1) si ottiene zero, come ci aspettavamo nella direzione orizzontale quando il nostro stato di spin è spin verticale verso l’alto. Quindi, in media, è come non avere alcun movimento laterale o orizzontale quando stiamo dritti in piedi.

Questo rapporto 50-50 sui risultati binari (+1 e -1) è ciò di cui i fisici parlano quando affermano che un elettrone con spin verticale verso l’alto si trova in una sovrapposizione quantistica di spin orizzontali sinistro e destro.

Entanglement dal principio di relatività

Secondo la teoria dell’informazione quantistica, tutta la meccanica quantistica, compresi i suoi stati quantistici entangled, si basa sul qubit con la sua sovrapposizione quantistica.

Ciò che i ricercatori hanno proposto è che questa sovrapposizione quantistica derivi dal principio di relatività, il quale (di nuovo) afferma che le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori con diverse orientazioni nello spazio.

Se l’elettrone con uno spin verticale nella direzione verso l’alto dovesse passare dritto attraverso i magneti orizzontali come ci si potrebbe aspettare, non avrebbe alcun spin orizzontalmente. Ciò violerebbe il principio di relatività, che afferma che la particella dovrebbe avere uno spin indipendentemente dal fatto che venga misurata in direzione orizzontale o verticale.

Poiché un elettrone con uno spin verticale nella direzione verso l’alto ha uno spin quando misurato orizzontalmente, i teorici dell’informazione quantistica possono affermare che il principio di relatività è (in ultima analisi) responsabile dell’entanglement quantistico.

E poiché in questa spiegazione del principio non viene utilizzata alcuna forza, non si verificano nemmeno le “azioni spettrali a distanza” derise da Einstein.

Ora che le implicazioni tecnologiche dell’entanglement quantistico per l’informatica quantistica sono ormai ampiamente accertate, è bello sapere che una grande domanda sulla sua origine potrebbe trovare risposta in un principio fisico molto apprezzato.

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