Una trappola per sistemi di fotoni entangled

AUSTRIA – Esiste una frattura incolmabile tra il comportamento degli oggetti quantistici e quello degli oggetti che esperiamo tutti i giorni. Un team guidato dal fisico Anton Zeilinger ha condotto un esperimento per certi aspetti decisivo: in precedenza restava aperta la possibilità che, se anche i fotoni misurati violavano le leggi della fisica classica, questa violazione non si sarebbe verificata se fosse stato possibile misurare tutti i fotoni del sistema.

Nel nuovo esperimento questa possibilità logica è stata eliminata (l’articolo è stato pubblicato sulla rivista Nature (Giustina, M. et alii, Bell violation with entangled photons, free of the fair-sampling assumption, in “Nature” (Advance Online Publication/AOP), 14 Aprile, 2013).

La fisica quantistica non ammette il realismo locale. È ormai noto che il comportamento delle particelle quantistiche – come atomi, elettroni o fotoni – è in conflitto con le nostre intuizione di base. Una particella non ha proprietà individuali, né ha una posizione o uno stato determinabili in modo indipendente dalle nostre osservazioni. A dispetto del suo carattere controintuitivo, la fisica quantistica è la base per la moderna tecnologia: semiconduttori (e quindi computer), laser, scanner MRI, e numerosi altri dispositivi sono basati su effetti quantistici. Ciò nonostante, anche dopo più di un secolo di intensa attività di ricerca, gli aspetti fondamentali della teoria dei quanti non sono ancora pienamente compresi.

La fisica quantistica ha un carattere non locale (almeno nella sua interpretazione ortodossa). John Bell ha mostrato che il realismo locale impone alcune restrizioni nelle correlazioni (previste dalla fisica quantistica) tra i parametri di particelle entangled (aventi caratteristiche simmetriche e originate da uno stesso processo fisico). Più in dettaglio, Bell ha dimostrato che nessuna teoria deterministica, locale e a variabili nascoste può riprodurre le predizioni della fisica quantistica.

C’è però un problema: gli esperimenti effettuati fino ad oggi confermano che le disuguaglianze di Bell sono violate, dimostrando che le azioni a distanza sono reali. Tuttavia, questi stessi esperimenti non riescono ancora a soddisfare pienamente le condizioni previste da Bell, senza considerare che tutte le violazioni richiedono l’introduzione di altre ipotesi che le rendono vulnerabili o lacunose (in altri termini il setup sperimentale avrebbe un’intrinseca debolezza).

L’esperimento sull’entanglement ha eliminato queste lacune.  Il gruppo coordinato da Anton Zeilinger, in collaborazione con il National Institute of Standards and Technology/NIST (USA), il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Germania), e il Max-Planck-Institute of Quantum Optics (Germania), ha confermato il comportamento non-classico delle particelle rilevando coppie di fotoni entangled con un’efficienza senza precedenti.

È stato possibile raggiungere questo risultato violando una disuguaglianza di Bell e, allo stesso tempo, chiudendo ogni possibile “scappatoia” per i fotoni. In altri termini, la violazione della diseguaglianza è avvenuta per coppie di fotoni entangled senza “fair-sampling loophole”. La violazione di una disuguaglianza di Bell è un’ osservazione sperimentale che impone l’abbandono di un punto di vista locale e realistico: quello in cui (i) le proprietà fisiche sono (probabilisticamente) definite prima e indipendentemente dalla misura, e (ii) in cui nessuna influenza fisica può propagarsi ad una velocità maggiore di quella della luce.

Un esperimento senza lacune, spiega Anton Zeilinger, “è una grande sfida, che attira i gruppi di ricerca in tutto il mondo”. Un’altra sfida è non limitare gli esperimenti ai fotoni, ma coinvolgere anche atomi, elettroni, e altri sistemi che esibiscono un comportamento quanto-meccanico. Testare tutte le previsioni riguardanti le correlazioni tra particelle quantistiche entangled resta, tuttavia, una grande sfida sperimentale. Ciò significa che il gran finale deve ancora arrivare, soprattutto per la crittografia quantistica (fino a quando non ci sono scappatoie l’intercettazione è sempre possibile, almeno in teoria).