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Meccanica quantistica fuori dall'Universo localmente reale

L’universo non è localmente reale. È ciò che hanno provato i vincitori del premio Nobel per la Fisica del 2022 in seguito a esperimenti di correlazione quantistica tra fotoni. A quanto pare, l’universo non è localmente reale. A rivelarlo sono stati i vincitori del premio Nobel per la Fisica del 2022, Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger. Ma cosa vuol dire “localmente reale”? Si dice ‘reale’ quando gli oggetti hanno proprietà indipendenti dall’osservazione: per esempio, una mela può essere rossa anche quando nessuno la sta guardando. Mentre ‘locale’ significa che gli oggetti possono essere influenzati solo dall’ambiente circostante e, in particolare, che qualsiasi influenza non può viaggiare con una velocità superiore a quella della luce nel vuoto. Ciò che è stato scoperto è che l’universo non può essere locale e, forse, nemmeno reale. Un apparente paradosso della meccanica quantistica Un famoso esperimento mentale pubblicato nel 1935, il cosiddetto paradosso di Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen (paradosso EPR), era inteso a illustrare la presunta assurdità della meccanica quantistica. Il loro obiettivo era mostrare come in determinate condizioni la teoria può fornire risultati privi di senso.

Niklas Elmehed, Nobel Prize Outreach/a." width="678" height="381" /> Ritratto, in ordine da sinistra a destra, di Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger, vincitori del premio Nobel per la Fisica nel 2022. Crediti: Niklas Elmehed, Nobel Prize Outreach. Una versione semplificata e modernizzata di EPR funziona più o meno così: abbiamo delle coppie di particelle che vengono espulse in direzioni diverse da una stessa sorgente e raggiungono due osservatori, Alice e Bob, posizionati alle estremità opposte del sistema solare. La meccanica quantistica impone che sia impossibile conoscere lo spin, una proprietà quantistica di ciascuna particella, prima della misurazione. Una volta che Alice ha misurato una delle sue particelle, trova che lo spin risulta up oppure down. I suoi risultati sono casuali, eppure appena dopo aver effettuato la misura, sa immediatamente che la particella corrispondente di Bob deve avere spin, per esempio, down. Eppure lo spin di quest’ultima particella era indefinito prima che fosse misurato lo spin dell’altra. Se le particelle di Alice non hanno uno spin definito prima della misurazione, allora come fanno le particelle di Bob, dall’altra parte del sistema solare, a ‘sapere’ che la misura è stata effettuata e il suo risultato? Nonostante i miliardi di chilometri che separano le particelle accoppiate, la meccanica quantistica prevede che le particelle di Alice sono in qualche modo legate a quelle di Bob (un fenomeno noto come entanglement quantistico). I tre scienziati premiati sono riusciti a studiare fotoni in stato di entanglement. Secondo la meccanica quantistica, quindi, la natura non è localmente reale: le particelle possono avere proprietà indefinite prima della misurazione, come lo spin up o down, e influenzarsi istantaneamente tra loro a prescindere dalla distanza. Ciò però non viola i risultati della teoria della relatività ristretta, in quanto i risultati delle misurazioni sono casuali e quindi l’entanglement non possono essere utilizzate per comunicare a velocità superiore a quella della luce nel vuoto. Fonte: Scientific American. Read the full article

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Trasferimento immagine tramite entanglement quantistico

Il Teletrasporto Quantistico è realtà, una rivoluzione scientifica. Siamo destinati a vedere un futuro in cui il confine tra fantasia e realtà si assottiglierà sempre di più. Nel mondo della fisica quantistica, il concetto di entanglement ha da tempo affascinato gli studiosi, aprendo la strada a possibilità incredibili. Il teletrasporto, un tempo relegato alla fantascienza, è diventato il focus di una squadra eclettica di fisici provenienti da Sud Africa, Germania e Spagna. In un esperimento audace e senza precedenti, hanno utilizzato il fenomeno dell’entanglement quantistico per teletrasportare un’immagine attraverso lo spazio, sfidando i limiti della tecnologia moderna. L’entanglement quantistico consente alle particelle di interagire tra di loro a distanze enormi, un principio che, fino a poco tempo fa, sembrava appartenere solo ai regni della teoria. Tuttavia, questo team di ricercatori ha dimostrato che la teoria può diventare realtà. Utilizzando solo due fotoni legati da questo fenomeno, sono riusciti a trasmettere un’immagine a un sensore, portando avanti il concetto di teletrasporto quantistico. Questo exploit non è solo una vittoria per la comunità scientifica, ma apre anche la strada a sviluppi rivoluzionari nella tecnologia. Le informazioni trasmesse tra i fotoni hanno viaggiato senza interagire con altre forme di materia, una caratteristica cruciale per molteplici applicazioni potenziali. L’entusiasmo per questo successo è palpabile, specialmente considerando che questo esperimento rappresenta un passo avanti nella comprensione della luce e della materia. Gli scienziati stanno già immaginando applicazioni pratiche per questa tecnologia, e una delle proposte più intriganti è l’invio sicuro di informazioni sensibili, come le impronte digitali, attraverso lo spazio quantistico in tempi incredibilmente brevi. Secondo Adam Vallés, fisico presso l’Istituto di scienze fotoniche (ICFO) della Spagna, questa ricerca non solo apre la strada a nuove applicazioni tecnologiche ma contribuisce anche a democratizzare la conoscenza della meccanica quantistica. La divulgazione di queste conoscenze basilari è fondamentale per coinvolgere il pubblico e far sì che la scienza non resti confinata agli angoli degli istituti accademici. Tuttavia, con ogni scoperta innovativa, sorgono nuove domande e sfide. Alcuni esperti suggeriscono che l’uso dell’entanglement quantistico potrebbe persino aprirci le porte al viaggio nel tempo, sebbene questo rimanga un campo di ricerca eticamente complesso e attualmente costoso. Mentre gli scienziati continuano a esplorare e perfezionare questa tecnologia, siamo destinati a vedere un futuro in cui il confine tra fantasia e realtà si assottiglierà sempre di più. La fisica quantistica non è solo un ramo della scienza: è la chiave per aprire porte ancora sconosciute, e il teletrasporto è solo l’inizio di un viaggio verso nuovi orizzonti. Read the full article

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Entanglement quantistico nel passato per migliorare il presente

Viaggi nel tempo che migliorano il presente, lo studio è pubblicato su Physical Review Letters. Un gruppo di fisici dell'Università di Cambridge ha dimostrato che la simulazione di ipotetici viaggi nel tempo, basata sulla manipolazione dell'entanglement quantistico, può risolvere problemi sperimentali che sembrano impossibili da trattare utilizzando la fisica standard. Tale simulazione raggiunge lo scopo una volta su quattro. In altre parole, ha il 75 per cento di possibilità di fallire. La buona notizia è che si sa quando fallisce. Gli appassionati di Ritorno al futuro non potranno non cogliere la somiglianza di ciò che andiamo a descrivere con quanto accade nel secondo film. Mentre Doc e Marty stanno cercando di recuperare Jennifer nella sua futura casa, l’anziano Biff riesce a impossessarsi di una copia del grande almanacco sportivo contenente tutti i risultati tra il 1950 e il 2000. Poi consegna l’almanacco al sé stesso più giovane, modificando così il passato e creando un “1985 alternativo”, in cui diventa ricchissimo perché, scommettendo sul futuro già scritto, riesce ovviamente a vincere tutto. Ecco, i ricercatori dell’Università di Cambridge hanno dimostrato che manipolando l’entanglement – una caratteristica della teoria quantistica che fa sì che le particelle siano intrinsecamente legate – sono in grado di simulare ciò che potrebbe accadere se si potesse viaggiare indietro nel tempo. In questo modo sarebbe possibile, in alcuni casi, modificare retroattivamente le azioni passate e migliorare i loro risultati nel presente. In altre parole, sarebbe possibile creare un “presente alternativo” migliore. La possibilità che le particelle possano viaggiare all’indietro nel tempo è un argomento controverso tra i fisici, anche se gli scienziati hanno già simulato modelli di come potrebbero comportarsi tali loop se esistessero. Collegando la loro nuova teoria alla metrologia quantistica, che utilizza la teoria quantistica per effettuare misure altamente sensibili, il team di Cambridge ha dimostrato che l’entanglement può risolvere problemi che altrimenti sembrano impossibili. «Immaginate di voler inviare un regalo a qualcuno: dovete spedirlo il primo giorno per essere sicuri che arrivi il terzo», dice l’autore principale David Arvidsson-Shukur, del Hitachi Cambridge Laboratory. «Tuttavia, ricevete la lista dei desideri di quella persona solo il secondo giorno. Quindi, in questo scenario che rispetta la cronologia, è impossibile sapere in anticipo cosa vorrà come regalo e assicurarsi di inviare quello giusto. Ora immaginate di poter cambiare ciò che avete inviato il primo giorno, avendo le informazioni della lista dei desideri ricevuta il secondo giorno. La nostra simulazione utilizza la manipolazione dell’entanglement quantistico per mostrare come sia possibile modificare retroattivamente le azioni precedenti per garantire che il risultato finale sia quello desiderato». La simulazione si basa sull’entanglement quantistico, che consiste in forti correlazioni che le particelle quantistiche possono condividere, a differenza delle particelle classiche – quelle governate dalla fisica quotidiana – che non possono farlo. La particolarità della fisica quantistica è che se due particelle sono abbastanza vicine l’una all’altra da interagire, possono rimanere “connesse” anche quando sono separate. Questo è alla base dell’informatica quantistica: lo sfruttamento delle particelle connesse per eseguire calcoli troppo complessi per i computer classici. «Nella nostra proposta, un fisico sperimentale connette intrinsecamente due particelle», spiega la coautrice Nicole Yunger Halpern, ricercatrice presso il National Institute of Standards and Technology e l’Università del Maryland. «La prima particella viene poi inviata per essere utilizzata in un esperimento. Una volta ottenute nuove informazioni, lo sperimentatore manipola la seconda particella per alterare effettivamente lo stato passato della prima particella, cambiando l’esito dell’esperimento». «L’effetto è notevole, ma si verifica solo una volta su quattro», riferisce Arvidsson-Shukur. «In altre parole, la simulazione ha il 75 per cento di possibilità di fallire. Ma la buona notizia è che si sa quando fallisce. Se rimaniamo nell’analogia del regalo, una volta su quattro il regalo sarà quello desiderato (per esempio un paio di pantaloni), un’altra volta sarà un paio di pantaloni ma della taglia sbagliata, o del colore sbagliato, oppure sarà una giacca». Per dare al loro modello una rilevanza tecnologica, i teorici lo hanno collegato alla metrologia quantistica, ossia alla metrologia che tiene conto delle correlazioni quantistiche. In un comune esperimento di metrologia quantistica, i fotoni – piccole particelle di luce – vengono fatti brillare su un campione di interesse e poi registrati con uno speciale tipo di telecamera. Affinché l’esperimento sia efficiente, i fotoni devono essere preparati in un certo modo prima di raggiungere il campione. I ricercatori hanno dimostrato che, anche se imparano a preparare al meglio i fotoni solo dopo che questi hanno raggiunto il campione, possono usare simulazioni di viaggi nel tempo per modificare retroattivamente i fotoni originali. Per contrastare l’alta probabilità di fallimento, i teorici propongono di inviare un numero enorme di fotoni entangled, sapendo che alla fine alcuni porteranno le informazioni corrette e aggiornate. Poi userebbero un filtro per garantire che i fotoni “giusti” passino alla fotocamera, mentre il filtro respinge il resto dei fotoni “cattivi”. «Torniamo alla nostra precedente analogia sui regali», spiega Aidan McConnell, che ha svolto questa ricerca durante il suo master al Cavendish Laboratory di Cambridge e ora è dottorando all’Eth di Zurigo. «Supponiamo che l’invio di regali sia poco costoso e che possiamo spedire numerosi pacchi il primo giorno. Il secondo giorno sappiamo quale regalo avremmo dovuto inviare. Quando il terzo giorno i pacchi arrivano, un regalo su quattro sarà corretto e lo selezioniamo dicendo al destinatario quali consegne buttare via». «Il fatto che dobbiamo usare un filtro per far funzionare il nostro esperimento è piuttosto rassicurante», conclude Arvidsson-Shukur. «Il mondo sarebbe molto strano se la nostra simulazione di viaggio nel tempo funzionasse sempre. La relatività e tutte le teorie su cui stiamo costruendo la nostra comprensione dell’universo sarebbero fuori dalla finestra. Non stiamo proponendo una macchina per viaggiare nel tempo, ma piuttosto un’immersione profonda nei fondamenti della meccanica quantistica. Queste simulazioni non consentono di tornare indietro e modificare il proprio passato, ma permettono di creare un domani migliore risolvendo oggi i problemi di ieri». Insomma, non è esattamente come salire su una DeLorean… ma anche così non sembra essere male. Per saperne di più: Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Nonclassical Advantage in Metrology Established via Quantum Simulations of Hypothetical Closed Timelike Curves” di David R. M. Arvidsson-Shukur, Aidan G. McConnell e Nicole Yunger Halpern Read the full article

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Le diseguaglianze tra meccanica quantistica e realismo locale

Reale o non reale: questo è il problema. Un articolo del fisico Reinhold Bertlman rivisita il contributo dato da John Stewart Bell nel campo della meccanica quantistica, attraverso il suo teorema e le sue disugualianze. Il fisico Reinhold Bertlman, dell’Università di Vienna, ha pubblicato una recensione sull’attività scientifica svolta dal suo amico e collaboratore John Stewart Bell, che ha lavorato per lungo tempo presso il CERN di Ginevra. La recensione, dal titolo Reale o Non Reale: questo è il problema, esplora le disuguaglianze di Bell, e i suoi concetti della realtà, e spiega la loro rilevanza nel campo dell’informatica quantistica e delle sue applicazioni. Il teorema e le disuguaglianze, che prendono proprio il nome da John Stewart Bell, definiscono, da un punto di vista matematico, il contrasto tra le teorie della meccanica quantistica e il realismo locale. Questi teoremi vengono utilizzati nell’informatica quantistica, che continua ad avere delle applicazioni nel campo della sicurezza, della crittografia e del quantum comuputing. Il fisico quantistico John Stewart Bell (1928 – 1990) è ben conosciuto per il teorema, che porta il suo nome, con il quale ha dato dimostrazione che l’attuale conoscenza della meccanica quantistica è incompatibile con le teorie delle variabili nascoste locali. Read the full article

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Uno scatto fotografico dell’entanglement quantistico

Prima foto in assoluto dell’entanglement quantistico. È la “prima foto in assoluto dell’entanglement quantistico”, quella che appare oggi in un nuovo articolo su Science Alert che riprende uno studio condotto da un team di fisici dell’Università di Glasgow, Scozia. Si tratta di un’immagine molto sfocata che rappresenta un’interazione tra particelle, un’interazione che tra l’altro è alla base dei cosiddetti “computer quantistici”. L’entanglement quantistico è un fenomeno stranissimo e non ben compreso: vede due particelle legarsi in maniera indissolubile, a qualunque distanza si trovino. Definita da Einstein come una “azione spettrale a distanza”, questo fenomeno vede una sorta di “botta e risposta” tra una particella e l’altra una volta che sono state legate insieme. Anche poste ad una distanza di miliardi di anni luce, se qualcosa accade ad una particella, quel qualcosa influirà direttamente ed in maniera immediata sull’altra, tanto che si potrà sapere cosa è successo alla prima particella anche se è impossibile, data la distanza, entrare in contatto con essa. Di solito l’entanglement viene osservato su due fotoni, ossia sulle particelle elementari alla base della luce. Per catturare in foto questo fenomeno Paul-Antoine Moreau, primo autore dello studio, ha creato, insieme ai colleghi, un sistema per far esplodere dei flussi di fotoni entangled in “oggetti non convenzionali”. Read the full article