Conferma per l’entanglement, il più grande mistero della fisica

’équipe dell’austriaco Anton Zeilinger, padre del teletrasporto quantistico, conferma ancora una volta la realtà del fenomeno che sconvolgeva Einstein.

È il mistero che faceva perdere il sonno ai padri della meccanica quantistica, da Niels Bohr ad Albert Einstein. A quest’ultimo l’idea non piaceva affatto, e anzi fu il primo a sollevarla per dimostrare l’infondatezza della fisica dei quanti per spiegare la vera natura della realtà. Ma alla fine le prove sperimentali gli diedero torto. È l’entanglement, termine che sta per “intreccio” e che rappresenta il paradosso più difficile da accettare della teoria dei quanti, poiché implica un’azione “fantasmatica” a distanza, cioè senza nessuna intermediazione, violando anche il principio per cui nessun’informazione può superare la velocità della luce. Fu proprio Einstein a usare quelle irridenti parole – “azione fantasmatica a distanza” – ormai entrate nella storia per definire l’entanglement. Ma negli anni ’80 il fenomeno fu per la prima volta dimostrato sperimentalmente e pochi giorni fa Anton Zeilinger, il guru del teletrasporto quantistico, ne ha data una nuova inoppugnabile dimostrazione.

 

L’esperimento mentale di Einstein

 

 

Nel 1935, prima sulla rivista “Physical Review” e poi con un articolo sul “New York Times” destinato al grande pubblico, venne annunciato il cosiddetto paradosso EPR. Le tre lettere erano le iniziali di Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, due fisici più giovani del padre della relatività che iniziarono a collaborare con lui al MIT per dimostrare l’infondatezza della teoria dei quanti così come fino ad allora formalizzata. Il paradosso proposto era un esperimento mentale del tipo di quelli elaborati da Einstein a più riprese nel corso della sua carriera. L’idea è semplice: se due particelle, poniamo due fotoni, chiamati A e B, dopo aver interagito per un istante si allontanano in direzioni opposte, ciascuna conserverà una parte del moto totale delle due particelle. La quantità di moto, secondo le leggi della fisica, viene cioè “divisa” tra i due fotoni. E fin qui tutto bene. Ora, se lo sperimentatore osserva il fotone A e calcola la sua quantità di moto, riuscirà a ricostruire facilmente la quantità di moto di B. Niente di straordinario: l’esempio classico è quello per cui usciamo di casa con un solo guanto e notiamo che è quello destro, per cui sappiamo automaticamente che abbiamo lasciato a casa il sinistro.

 

 

Ma nel mondo dei quanti le cose non sono così semplici. Il guanto sinistro è sempre quello, sia che lo portiate con voi sia che resti a casa lontano dai vostri occhi. Viceversa, le particelle quantistiche non hanno una loro identità finché non si compie una loro osservazione. Applicando il concetto al mondo macroscopico, quello che sperimentiamo tutti i giorni, è come se il guanto sinistro lasciato a casa restasse in uno stato di indeterminazione sulla sua effettiva identità – guanto destro o guanto sinistro? – finché voi non osservate che quello che avete in tasca è il guanto destro, e quindi quello che è rimasto nel cassetto non può che essere il sinistro. Se tutto ciò è già di per sé sconvolgente, la cosa assume i toni della pura fantascienza nel momento in cui la meccanica quantistica non impedisce che questo fenomeno tecnicamente definito “collasso della funzione d’onda” (il momento in cui il vostro guanto “diventa” sinistro perché voi avete quello destro) avvenga istantaneamente a velocità superluminali. Ritornando al paradosso EPR, se lo sperimentatore misura la quantità di moto del fotone A, istantaneamente da qualsiasi altra parte dell’universo si trovi il fotone B – anche lontano molti anni-luce – la sua funzione d’onda collassa e assume la quantità di moto prevista, mentre prima dell’osservazione del fotone A si trovava in uno stato di totale indeterminazione.

 

La conferma dell’entanglement

 

Era chiaro che Einstein aveva trovato una crepa nella teoria dei quanti. Se si accettava la teoria, si doveva accettare il paradosso EPR e quindi anche un principio di non-località, ossia il fatto incontrovertibile che l’entanglement, la “relazione” tra le particelle quantistiche, si mantiene a prescindere dalla distanza nello spazio e al di là della limitazione relativistica della velocità della luce. Dopo il fallimento di alcuni tentativi di dimostrare l’infondatezza del paradosso, i fisici dei quanti decisero di non pensarci più. Einstein o meno, la meccanica quantistica funzionava davvero, e ciò bastava alla scienza: domande di natura filosofica vennero messe da parte negli anni della guerra e in quelli della Guerra fredda, in cui i fisici divennero ingranaggi della grande macchina della Difesa contro la minaccia nucleare sovietica.

 

 

Ma le cose cambiarono nei decenni successivi. Stimolato dalle ricerche teoriche di John Bell negli anni ’60 sulla coerenza del fenomeno dell’entanglement, il fisico sperimentalista francese Alain Aspect nel 1982 riuscì per la prima volta a realizzare quello che per Einstein era un semplice esperimento mentale. Si dimostrò incontrovertibilmente che l’entanglement era reale, e che per quanto paradossale fosse il fenomeno esso era pur tuttavia concreto. In quegli anni, molti fisici cominciarono a chiedersi quello che probabilmente anche il lettore ora si starà chiedendo: sarebbe possibile utilizzare l’entanglement per comunicare a distanze enormi superando il limite della velocità della luce? Successivi esperimenti e analisi teoriche hanno portato a rispondere negativamente alla domanda, poiché non sembra possibile poter controllare il processo di entanglement: lo sperimentatore può solo osservare e misurare una grandezza di una particella, ma i limiti della meccanica quantistica impediscono che la possa manipolare per modificare l’esito del collasso della funzione d’onda nella particella entangled.

 

Qualcosa però si può fare: il teletrasporto. Non quello di Star Trek, purtroppo, ma solo quello di singoli fotoni che, come è noto, non possiedono massa. È possibile cioè utilizzare l’entanglement per “copiare” alcune proprietà di un fotone A – come il suo spin – e trasferirle a un fotone B distante nello spazio. È da qui che il gruppo di ricerca dell’austriaco Anton Zeilinger ha mosso i primi passi in un settore del tutto nuovo, confermato da continui esperimenti di frontiera, l’ultimo pochi giorni fa, che secondo lo scienziato potrebbe aprire la strada all’applicazione del fenomeno dell’entanglement anche a sistemi macroscopici, ossia a oggetti del mondo quotidiano.

Un esempio di entanglement. Le immagini, di piccoli gatti e un tridente, sono un anticipo per l’ottica quantistica, una disciplina fisica emergente costruita su interazioni sorprendenti tra particelle subatomiche che Einstein definì “spettrale”.

Photo of the red outlines of 2 cats made from cardboard cut-outs.

Questi contorni di gatto sono formati da luce che non ha mai incontrato un gatto, ma sono in entanglement con un raggio che invece ha colpito il gatto. Foto di GABRIELA BARRETO LEMOS, National Geographic

A realizzare queste immagini è stato un fascio di luce che non aveva effettivamente “visto” le sagome dei gattini. Fotografia di Gabriela Barreto Lemos

I fotoni, come è noto, sono le particelle che costituiscono la luce. Vedere un oggetto – o riprenderlo con una macchina fotografica – significa captare i fotoni che, dopo aver investito quell’oggetto vengono riflessi verso di noi.

Ma queste immagini, pubblicate dalla rivista Nature, sono state realizzate in un modo del tutto diverso: i fotoni catturati dalla macchina fotografica non hanno mai raggiunto l’oggetto ripreso, ma sono riusciti ugualmente a “vederlo” grazie a un fenomeno detto entanglement, uno dei più paradossali effetti della meccanica quantistica, tale da far perdere il sonno a padri della fisica moderna come Niels Bohr o Albert Einstein.

Nell’entanglement dueparticelle, correlate tra loro, si influenzano a vicenda anche se sono distanti l’una dall’altra: un effetto che implica un’azione a distanza che lo stesso Einstein definì “fantasmatica”. Il padre della relatività arrivò a pensare che si trattasse di un difetto matematico della teoria della meccanica quantistica, che vede le particelle subatomiche sia come entità puntiformi che come onde. Ma negli anni Ottanta il fenomeno

fu confermato sperimentalmente. Per quanto paradossale, è un effetto concreto che ha offerto interessanti spunti d’indagine all’ottica quantistica, una branca emergente della fisica moderna interessata alle sorprendenti interazioni tra le particelle subatomiche.

Già nel 2009, un esperimento messo a punto da Miles Padgett, esperto in ottica quantistica della University of Glasgow, in Scozia, aveva realizzato, con un laser suddiviso in due fasci e sfruttando l’effetto dell’entanglementquello che è stato definito “imaging fantasma”. Ma gli esperti sostengono che la nuova tecnica proposta, facendo uso di due fasci laser di colori diversi, offra interessanti vantaggi di visualizzazione.

“È un trucco molto intelligente, quello che è stato usato, quasi una magia,” commenta Paul Lett, esperto di ottica quantistica del National Institute of Standards and Technology di Gaithersburg, nel Maryland, che non ha fatto parte del team dell’esperimento. “Non è un fenomeno fisico nuovo, ma una dimostrazione molto elegante di un effetto conosciuto.”

I fotoni che “vedono” e quelli che fotografano

Nel nuovo esperimento, un’équipe guidata da Gabriela Barreto Lemos dell’Institute for Quantum Optics and Quantum Information di Vienna, ha generato due fasci laser separati e con lunghezza d’onda diversa, uno giallo e uno rosso, ma caratterizzati da una netta correlazione spaziale grazie alla quale la posizione dei fotoni rossi è connessa a quella dei fotoni gialli, anche a grandi distanze.

La luce rossa è stata proiettata su stencil e ritagli di circa 3 millimetri di lunghezza raffiguranti minuscoli gatti; mentre il laser giallo è stato orientato lungo una traiettoria diversa che non intercettava mai gli oggetti. Per di più le mascherine e i ritagli erano stati realizzati in modo da essere invisibili alla luce gialla.

Ma solo la luce gialla era orientata in modo da raggiungere la fotocamera quantistica, che quindi ha prodotto le immagini dei gatti utilizzando fotoni che non li avevano mai “visti”.

“I fenomeni osservati originano dall’entanglement tra i fotoni,” spiega Lemos. “Non c’è azione diretta dei fotoni rossi su quelli gialli.”

Anche se il team che ha condotto l’esperimento ha richiesto il brevetto, Lemos riconosce che le applicazioni pratiche potrebbero richiedere tempo.

L’ottica diventa quantistica

La nuova tecnica del laser a due colori potrebbe consentire di migliorare l’acquisizione di immagini in ambito medico o la litografia per la fabbricazione di chip al silicio.

Nella ricerca medica, per esempio, le indagini sui tessuti potrebbero essere condotte usando luce con lunghezza d’onda al di fuori dello spettro del visibile (compreso tra i colori rosso e violetto), che non danneggia i tessuti, e simultaneamente fasci di fotoni nelle frequenze del visibile per creare immagini nitide dei tessuti.

“L’idea che la luce di due colori potesse portare dei vantaggi è ingegnosa”, commenta Lett. “Succede molto spesso nell’imaging che la migliore lunghezza d’onda della luce per una certa indagine non sia altrettanto efficace per l’acquisizione delle immagini. Con la tecnica usata nell’esperimento, si può pensare di selezionare i colori della luce in modo da ottimizzare sia l’analisi che si intende realizzare che le immagini.”

In particolare, si potrebbero fotografare oggetti che normalmente sono visibili solo ai raggi infrarossi, sostiene Padgett.

“L’esperimento si basa su un’idea molto efficace”, dice Lett. “Resta da vedere se darà luogo ad applicazioni pratiche o se rimarrà soltanto un’elegante dimostrazione di un effetto della meccanica quantistica.”

 

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