I fisici fanno un grande passo avanti verso l'informatica quantistica e la crittografia con un nuovo esperimento
L'entanglement quantistico rimane uno dei campi di studio più impegnativi per i fisici moderni. Descritto da Einstein come 'azione spettrale a distanza', gli scienziati hanno a lungo cercato di riconciliare come questo aspetto della meccanica quantistica possa coesistere con la meccanica classica. In sostanza, il fatto che due particelle possano essere collegate a grandi distanze viola le regole della località e del realismo.
Formalmente, questa è una violazione della disuguaglianza di Bell, una teoria che è stata utilizzata per decenni per dimostrare che la località e il realismo sono validi nonostante non siano coerenti con la meccanica quantistica. Tuttavia, in a studi recenti , un team di ricercatori del Università Ludwig-Maximilian (LMU) e il Istituto Max Planck per l'ottica quantistica a Monaco di Baviera hanno condotto test che violano ancora una volta la disuguaglianza di Bell e dimostrano l'esistenza di entanglement.
Il loro studio, intitolato “ Test della campana pronto per l'evento che utilizza atomi impigliati Chiudendo simultaneamente le scappatoie di rilevamento e località “, è stato recentemente pubblicato nelLettere di revisione fisica. Guidato da Wenjamin Rosenfeld, un fisico della LMU e del Max Planck Institute for Quantum Optics, il team ha cercato di testare la disuguaglianza di Bell impigliando due particelle a distanza.
John Bell, il fisico irlandese che ha ideato un test per dimostrare che la natura non 'nasconde le variabili' come aveva proposto Einstein. Credito: CERN
La disuguaglianza di Bell (dal nome del fisico irlandese John Bell, che la propose nel 1964) afferma essenzialmente che le proprietà degli oggetti esistono indipendentemente dall'essere osservate (realismo) e nessuna informazione o influenza fisica può propagarsi più velocemente della velocità della luce (località). Queste regole descrivono perfettamente la realtà che noi esseri umani sperimentiamo quotidianamente, dove le cose sono radicate in uno spazio e in un tempo particolari ed esistono indipendentemente da un osservatore.
Tuttavia, a livello quantistico, le cose non sembrano seguire queste regole. Non solo le particelle possono essere collegate in modi non locali su grandi distanze (cioè entanglement), ma le proprietà di queste particelle non possono essere definite finché non vengono misurate. E mentre tutti gli esperimenti hanno confermato che le previsioni della meccanica quantistica sono corrette, alcuni scienziati hanno continuato a sostenere che esistono scappatoie che consentono il realismo locale.
Per affrontare questo problema, il team di Monaco ha condotto un esperimento utilizzando due laboratori presso l'LMU. Mentre il primo laboratorio si trovava nel seminterrato del dipartimento di fisica, il secondo si trovava nel seminterrato del dipartimento di economia, a circa 400 metri di distanza. In entrambi i laboratori, i team hanno catturato un singolo atomo di rubidio in una trappola topica e poi hanno iniziato a eccitarli finché non hanno rilasciato un singolo fotone.
Come ha spiegato il dottor Wenjamin Rosenfeld in un Max Planck Institute comunicato stampa :
“Le nostre due stazioni di osservazione sono gestite in modo indipendente e sono dotate di propri sistemi laser e di controllo. A causa della distanza di 400 metri tra i laboratori, la comunicazione dall'uno all'altro richiederebbe 1328 nanosecondi, che è molto più della durata del processo di misurazione. Quindi, nessuna informazione sulla misurazione in un laboratorio può essere utilizzata nell'altro laboratorio. È così che chiudiamo la scappatoia della località”.
L'esperimento è stato eseguito in due località a 398 metri di distanza l'una dall'altra nel campus dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera, in Germania. Credito: Rosenfeld et al/American Physical Society
Una volta che i due atomi di rubidio sono stati eccitati al punto da rilasciare un fotone, gli stati di spin degli atomi di rubidio e gli stati di polarizzazione dei fotoni sono stati effettivamente intrecciati. I fotoni sono stati quindi accoppiati in fibre ottiche e guidati a un set-up dove sono stati portati all'interferenza. Dopo aver condotto una corsa di misurazione per otto giorni, gli scienziati sono stati in grado di raccogliere circa 10.000 eventi per verificare l'entanglement dei segni.
Ciò sarebbe stato indicato dagli spin dei due atomi di rubidio intrappolati, che punterebbero nella stessa direzione (o nella direzione opposta, a seconda del tipo di entanglement). Quello che il team di Monaco ha scoperto è che per la stragrande maggioranza degli eventi, gli atomi erano nello stesso stato (o nello stato opposto) e che c'erano solo sei deviazioni coerenti con la disuguaglianza di Bell.
Questi risultati sono stati anche statisticamente più significativi di quelli ottenuti da un team di Fisici olandesi nel 2015 . Per il bene di quello studio, il team olandese ha condotto esperimenti utilizzando gli elettroni nei diamanti in laboratori distanti 1,3 km. Alla fine, i loro risultati (e altri recenti test della disuguaglianza di Bell) hanno dimostrato che l'entanglement quantistico è reale, chiudendo efficacemente la scappatoia del realismo locale.
Come ha spiegato Wenjamin Rosenfeld, i test condotti dal suo team sono andati anche oltre questi altri esperimenti, affrontando un altro importante problema. 'Siamo stati in grado di determinare lo stato di spin degli atomi molto velocemente e in modo molto efficiente', ha detto. 'In tal modo abbiamo chiuso una seconda potenziale scappatoia: l'ipotesi che la violazione osservata sia causata da un campione incompleto di coppie di atomi rilevate'.
Ottenendo la prova della violazione della disuguaglianza di Bell, gli scienziati non stanno solo aiutando a risolvere un'incongruenza permanente tra la fisica classica e quella quantistica. Stanno anche aprendo la porta ad alcune eccitanti possibilità. Ad esempio, per anni, gli scienziati hanno anticipato lo sviluppo di processori quantistici, che si basano su entanglement per simulare gli zeri e gli uno del codice binario.
I computer che si basano sulla meccanica quantistica sarebbero esponenzialmente più veloci dei microprocessori convenzionali e inaugurerebbe una nuova era di ricerca e sviluppo. Gli stessi principi sono stati proposti per la sicurezza informatica, in cui la crittografia quantistica verrebbe utilizzata per crittografare le informazioni, rendendole invulnerabili agli hacker che si affidano a computer convenzionali.
Ultimo, ma certamente non meno importante, c'è il concetto di Quantum Entanglement Communications, un metodo che ci consentirebbe di trasmettere informazioni a una velocità superiore alla velocità della luce. Immagina le possibilità di viaggiare ed esplorare lo spazio se non siamo più vincolati dai limiti della comunicazione relativistica!
Einstein non aveva torto quando ha caratterizzato gli entanglement quantistici come 'azione spettrale'. In effetti, molte delle implicazioni di questo fenomeno sono ancora tanto spaventose quanto affascinanti per i fisici. Ma più ci avviciniamo a capirlo, più ci avvicineremo allo sviluppo di una comprensione di come tutte le forze fisiche conosciute dell'Universo si uniscono, ovvero. una teoria del tutto!
Ulteriori letture: scienza , Lettere di revisione fisica