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Nuove applicazioni per l’esperimento EPR: scoperto nuovo tipo di entanglement

Un recente studio pubblicato su Nature Physics dimostra per la prima volta un caso di entanglement o correlazione energia-tempo tra tre o più fotoni

Scritto da Annalisa Arci il 07.12.2012

CANADA – Basandosi sulla versione a due particelle, proposta nel 1935 nella celebre memoria EPR (Einstein A., Podolsky B., Rosen N., Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? in “Physical Review” n. 47, 1935, pp. 777–780), l’esperimento estende ad un numero maggiore di particelle la correlazione che “il team di Einstein” aveva individuato tra due particelle (le variabili considerate erano la posizione e il movimento).

 Per valutare l’importanza di questa ricerca dobbiamo chiarire qual è l’obiettivo della memoria EPR e  cos’è l’entanglement. Il paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (paradosso o memoria EPR) è un esperimento mentale che dimostra come una misura eseguita su una parte di un sistema quantistico può avere  un effetto istantaneo sul risultato di una misura successiva, eseguita su un’altra parte dello stesso sistema, indipendentemente dalla distanza che separa le due parti.

Questo effetto è appunto l’entanglement quantistico e venne considerato paradossale in quanto era ritenuto incompatibile con un postulato  della relatività ristretta  (che considera la velocità della luce  la velocità limite alla quale può viaggiare un qualunque tipo di informazone) e, più in generale, con il principio di località (sappiamo descrivere con certezza la posizione degli oggetti che arredano la stanza in cui ora siamo. Lo stesso non vale per gli oggetti quantistici).

Di conseguenza, l’entanglement è uno stato caratteristico della fisica quantistica, senza analogo classico, nel quale due o più oggetti quantistici anche molto distanti si trovano in correlazione tra loro. La fisica classica insegna che, quanto più aumenta la distanza tra due o più oggetti, tanto più diminuiscono le possibilità che uno dei due, in qualche modo, possa agire sull’altro. Questa banale regola che richiede prossimità, se non addirittura contiguità tra cause ed effetti, ha una validità ristretta: per gli oggetti microscopici non vale.

Uno degli obiettivi principali del breve articolo del 1935 è la dimostrazione dell’incompletezza della fisica quantistica. La teoria che Einstein-Podolsky-Rosen intendono confutare è la prima formulazione della fisica quantistica, elaborata tra il 1905 e il 1927 soprattutto grazie ai lavori di Niels Bohr e seguaci, che è conosciuta anche come interpretazione o scuola di Copenaghen. Gli autori della memoria EPR partono da una convinzione: condizione necessaria per la completez­za di una teoria fisica è che ciascun elemento della realtà fisica abbia una controparte nella teoria fisica.

Dato che il principio di indeterminazione di Heisenberg nega la possibilità di determinare contemporaneamente, e con precisione, la posizione e la quantità di moto di una particella – è un dato di fatto che, se si misura la quantità di moto di un elettrone, la sua posizione diventa automaticamente indeterminata –ogni operazione di misura, ogni tentativo di determinare sperimentalmente il valore di una quantità sulla quale la teoria non è in grado di fare previsioni precise, ha l’effetto di cancellare il contenuto di realtà di una seconda quantità che caratterizza lo stato del sistema. Non si può negare che esistono oggettivi elementi della realtà che la prima formulazione della fisica quantistica non coglie (ad esempio, il fatto che una particella abbia una posizione definita).

Da quasi ottant’anni la memoria EPR continua a sollevare importanti quesiti sui fondamenti stessi della fisica quantistica e suoi concetti su cui si basa – primi tra tutti quello di realtà e quello di misura. “EPR ha messo in evidenza che, se si crea una coppia di particelle correlate, è possibile misurare sia la posizione e la quantità di moto di entrambe con precisione arbitraria. Ma resta impossibile conoscere nello stesso momento la posizione e la quantità di moto di ciascuna; siamo invece in grado di conoscere le informazioni relative alla posizione e alla quantità di moto totale che esse condividono. Le particelle entangled perdono la loro identità individuale insieme a tutte le informazioni nel sistema che le contiene nella correlazione”, ha precisato Krister Shalm dell’Università di Waterloo e autore dell’articolo comparso su Nature Physics.

Nell’esperimento del 1935 Einstein, Podolsky e Rosen avevano tentato di dimostrare che le correlazioni tra due particelle erano così forti che doveva esistere qualche parametro o variabile nascosta in grado di spiegarle, dato che la fisica quantistica falliva clamorosamente. L’unico modo di salvare la teoria nella versione datane da Bohr e seguaci sembrava questo: ammettere l’esistenza di variabili nascoste.

In generale, le teorie delle variabili nascoste affermano che il carattere probabilistico della fisica quantistica sia essenzialmente dovuto alla presenza di meccanismi fisici non ancora noti. In altre parole, la fisica quantistica non può essere una teoria completa, a meno che non si voglia sacrificare il suo intrinseco carattere probabilistico.”Gli argomenti originali realizzati da EPR nel 1935 sono stati progettati per mostrare che la fisica quantistica, di per sé, non è sufficiente a descrivere la realtà”, ha puntualizzato Krister Shalm.

Questa sfida, ossia il tentativo di mostrare la completezza delle descrizioni quantistiche, fu raccolta tra gli altri dal fisico John Bell. Bell ha dimostrato che se si assumono gli argomenti esposti nella memoria EPR è impossibile non rilevare una contraddizione intrinseca alla fisica quantistica. Proprio utilizzando le disuguaglianze di Bell, nel corso degli anni molti scienziati si sono impegnati per mettere alla prova la consistenza della teoria: dato che l’esistenza di variabili nascoste è incompatibile con numerosi esperimenti sulle disuguaglianze di Bell appositamente effettuati, come salvare la loro esistenza mantenendo anche la tesi sull’incompletezza? Rinunciando al requisito di località: anche nell’ipotesi di variabili nascoste, la fisica quantistica conserva il proprio carattere di non-località.

Sulla base di questi studi, i fisici sono giunti a dimostrare l’esistenza di diversi tipi di entanglement definibili sulla base degli elementi che in essi intervengono: numero, tipo di particelle e tipo di proprietà di cui sono dotate. Le proprietà rilevanti sono di due categorie: discrete e continue. La rotazione è una proprietà discreta: il suo valore può essere un numero intero oppure una frazione dell’intero. Al contrario, il tempo di emissione dell’energia da una particella è una proprietà continua. L’entanglement è già stata dimostrata tra le variabili discrete di 14 ioni e le variabili continue di tre fasci di luce, ma fino ad ora l’entanglement tra le proprietà continue di tre singole particelle è rimasta una sfida aperta.

Krister Shalm descrive in questo modo l’esperimento: per ottenere un’entanglement tra variabili continue i fisici hanno fatto affidamento ad un processo di fissione; hanno diviso un fotone in una coppia di fotoni-figli, poi hanno diviso nuovamente uno dei due. In tutto hanno ottenuto tre fotoni rilevanti (fotone-padre, fotone-figlio e fotone-nipote) che condividono correlazioni quantistiche tra energia e tempi di emissione. Tecnicamente il processo si chiama parametric downconversion ed ha due caratteristiche: è spontaneo ed è a cascata (nel senso che coinvolge, a partire dal fotone-padre, tutti i fotoni ottenuti per successive divisioni).

Poiché l’energia è conservata, ogni fotone figlio ha una frequenza che è circa la metà di quella del fotone padre. Quando uno dei fotoni figlio viene diviso, i due fotoni nipoti hanno ciascuno una frequenza che è circa la metà di quella dei fotoni figli. Sebbene la frequenza di ciascun fotone “considerato individualmente” possa variare anche di molto rispetto al valore atteso, l’energia totale del “sistema a tre fotoni” è esattamente uguale all’energia del fotone padre. I tre fotoni, una volta osservati tutti insieme, rivelano una forte correlazione spettrale e un’entlangement energia-tempo.

Ciò significa che i valori di energia e i tempi di emissione dei tre fotoni rivelano correlazioni molto più forti di quelle consentite dalla fisica classica. “Quello che è eccitante del nostro lavoro è che siamo in grado di prendere i parametri originali realizzati da EPR per due particelle ed estenderli a tre particelle. Il tipo di entanglement che EPR studiava riguardava le variabili continue, come la posizione e la quantità di moto; al contrario sono variabili discrete la polarizzazione o spin. Le variabili discrete nei fotoni sono sempre state più semplici da manipolare. Con il nostro sistema abbiamo finalmente un valido modo per esplorare l’intreccio di variabili continue tra tre particelle”.

Per rilevare l’entlangement energia-tempo i fisici hanno dovuto  confermare che i tre fotoni violano una serie di disuguaglianze che sono un’estensione degli argomenti EPR validi per due particelle. Questi test si basano sulla collisione tra fotoni: prendendo un fotone come bersaglio di riferimento, si intende misurare i tempi di arrivo di ciascuno dei tre. Dato che è la frequenza che si deve misurare, si è cercato di misurarla direttamente osservando ciascun fotone.

Purtroppo le tecnologie attuali non consentono di ottenere valori certi, nemmeno se si cerca di misurare i tempi di arrivo. Gli scienziati hanno preferito misurare la frequenza del fotone-padre, dal momento che nel processo di divisione l’energia totale del sistema si conserva. Su queste basi, pur tenendo conto dell’incertezza insita nelle misure, gli scienziati hanno mostrato che i tre fotoni violano le disuguaglianze EPR. È dimostrato l’entanglement energia-tempo.

In termini di applicazioni, queste tecnologie potranno essere utilizzate per l’archiviazione e la trasmissione dell’informazione quantistica, come la distribuzione per “iper-entanglement” nelle reti di compuiter quantistici.  Gli scienziati hanno in programma di provare a combinare la posizione e la quantità di moto entanglement tra i tre fotoni con i tipi più tradizionali di entanglement basato su momento angolare e polarizzazione. Questo tipo di entanglement combinato potrebbe portare alla creazione di sistemi quantistici ibridi che possiedono proprietà ad oggi sconosciute.   

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