L'entanglement tra sistemi sfasati nel tempo

Physics team entangles photons that never coexisted in time

(I) Generazione dei fotoni 1 e 2; (II) osservazione del fotone 1, (III) generazione dei fotoni 3 e 4, (IV) proiezione di Bell di 2 e 3, (V) osservazione del fotone 4. (Crediti: Phys. Rev. Lett. 110, 210403 (2013) DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.210403).

GERUSALEMME – I fisici della Hebrew University hanno generato stati entangled tra fotoni che non condividono la stessa linea temporale. Più semplicemente, l’esperimento ha dimostrato che l’entanglement esiste non sono nello spazio ma anche nel tempo: è stato infatti possibile creare una coppia di fotoni entangled in t1 la cui polarizzazione corrisponde a quella di una coppia di fotoni generata in un tempo successivo (in t2). Lo studio è stato pubblicato nella rivista Physical Review Letters.

Per capire la portata rivoluzionaria dell’esperimento è opportuno fare un passo indietro e iniziare dall’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 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.

Se pensiamo alla Relatività Speciale, e ad uno dei suoi postulati cardine, è semplice concludere che siamo di fronte a qualcosa di paradossale: non solo la velocità della luce è la velocità limite alla quale può viaggiare un qualunque tipo di informazione, cosa che non sembra rispettata dall’entanglement, ma ancor più grave è la violazione del principio di località: sappiamo descrivere con certezza la posizione degli oggetti che arredano la stanza in cui ora siamo. Lo stesso non si può dire per gli oggetti quantistici. 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).

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. 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

L’entanglement tra sistemi temporali indipendenti. Oggi, i ricercatori hanno utilizzato una sorgente laser per la generazione di una coppia entangled P1 e P2: hanno poi misurato la polarizzazione di P1 e creato un’altra coppia P3 e P4. Mediante un procedimento noto come misura proiettiva non solo P2 e P3 risultano entangled, ma P1 è entangled con P4. Il risultato è stupefacente perché P4 risulta entangled con un fotone che ha già cessato di esistere. Essere in grado di intrappolare le particelle che non esistono o, meglio, creare stati entangled tra sistemi quantistici separati nel tempo, apre la porta a nuove tecniche di cifratura per la costruzione reti quantistiche – si spera – a prova di hacker. (Fonte:phys.org/news/2013-05-physics-team-entangles-photons-coexisted.html. Pubblicato su cyberscienza.it il 28/05/2013).

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