Nuova violazione del realismo locale

beyond gisins theorem

Schema dell’applicazione del teorema di Gisin, valido per gli stati entangled puri, agli stati misti. (Crediti: Chen, et al. ©2015 Nature Scientific Reports).

L’entanglement è la caratteristica distintiva della meccanica quantistica. Parola di Erwin Schrödinger.  Esiste infatti una frattura incolmabile tra il comportamento degli oggetti quantistici e quello degli oggetti che esperiamo tutti i giorni. Una delle differenze maggiori è data dal fatto che 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.  Ora, un recente studio mostra l’esistenza di una nuova famiglia di stati entangled che viola proprio il realismo locale.

Come spesso ho scritto sulle pagine di Gaianews.it, l’entanglement è un fenomeno, privo di analogo classico, che si verifica a livello quantistico e che coinvolge due o più particelle generate da uno stesso processo o che si siano trovate in interazione reciproca per un certo periodo.

Queste particelle restano intrecciate (entangled) e legate indissolubilmente, nel senso che, indipendentemente dalla distanza che le separa, quello che accade a una di esse si ripercuote immediatamente sull’altra. L’evidenza di questo fenomeno ci costringe a rivedere profondamente non solo la logica classica ma anche altre strutture concettuali – in primis quelle di causalità, determinismo e realismo – che contribuiscono a forgiare la nostra visione e comprensione del mondo.

La sua possibilità teorica venne ipotizzata nel 1926 proprio da Schrödinger, anche se solo nel 1935 usò per la prima volta il termine entanglement nella recensione del famoso articolo di Einstein, Podolsky e Rosen (Einstein A., Podolsky B., Rosen N., Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? in “Physical Review” n. 47, (1935), pp. 777–780). La definizione che ne diede Schrödinger è la seguente:

“quando due sistemi, dei quali conosciamo gli stati sulla base della loro rispettiva rappresentazione, subiscono una interazione fisica temporanea dovuta a forze note che agiscono tra di loro, e quando, dopo un certo periodo di mutua interazione, i sistemi si separano nuovamente, non possiamo più descriverli come prima dell’interazione, cioè dotando ognuno di loro di una propria rappresentazione”, (E. Schrödinger, Discussion of Probability Relations Between Separated Systems, “Proceedings of the Cambridge Philosophical Society”, n.31 (1935), p. 555).

Sono anni che i fisici dibattono se accade sempre che particelle entangled violino il realismo locale. Solo nel 1991 la comunità scientifica ha accettato una conferma definitiva di questa violazione anche grazie ai lavori di Nicolas Gisin. Il fisico ha infatti dimostrato che tutti gli stati entangled puri – ossia univocamente definiti – violano quantitativamente il realismo locale. Questo risultato è ora noto come teorema di Gisin. Ma c’è un problema per così dire empirico: gli stati entangled sono per lo più “misti”, nel senso che consistono in una combinazione di diversi tipi di stati puri. Anche se il teorema di Gisin vale, in senso stretto, solo per gli stati puri, nel corso degli anni i fisici hanno esteso il teorema dimostrando che alcuni altri tipi di stati misti possono violare il realismo locale.

Ora, in un nuovo paper che sarà presto pubblicato su Scientific Reports, Jing-Ling Chen e colleghi dimostrano che tutti gli stati misti che obbediscono alla stessa proprietà di steering violano il realismo locale. Si tratta di una nuova famiglia di stati entangled che aiuterà a comprendere meglio la natura stessa delle correlazioni quantistiche e, soprattutto, semplificherà l’implementazione dei protocolli di informazione quantistica. Chen ha spiegato il problema in modo più dettagliato: “dall’articolo del 1989 di Werner intitolato Quantum states with Einstein-Podolsky-Rosen correlations admitting a hidden-variable model, che sappiamo che l’entanglement e la violazione del realismo locale sono due concetti distinti. Alcuni stati quantici entangled ammettono un modello a variabili nascoste locali e quindi non violano il realismo locale. Una questione importante a questo punto si pone. Possiamo individuare una condizione che vincola gli stati quantistici a quelli per i quali l’entanglement è equivalente a una violazione del realismo locale? Una possibile condizione per raggiungere lo scopo è la purezza. Qualsiasi stato entangled puro viola le disuguaglianze di Bell. Questo è appunto il teorema di Gisin Se prendiamo il caso più generale degli stati misti, tuttavia, è preoccupante la mancanza di tale condizione”.

Ma questa condizione più generale non deve scoraggiarci. Ogni sistema quantistico interagisce inevitabilmente con l’ambiente; di conseguenza, gli stati quantici in realtà sono sempre in qualche misura misti. In questo lavoro gli studiosi mettono quindi in discussione non solo l’esistenza di stati entangled puri, ma intendono usare il concetto proposto da Einstein-Podolsky-Rosen come condizione per colmare la distanza tra entanglement e violazioni di realismo locale”. Come spiega Chen a Phys.org, “entanglement, steering, and violations of local realism can be thought of as three different forms of quantum correlations that form a hierarchical structure, with violations of local realism being the strongest form. Steering, the intermediate form, takes the correlations of entanglement a step further so that one system can control—or “steer”—the state of its entangled partner”.

L’esperimento effettuato sui qubits in stati misti fornisce un importante passo in avanti per risolvere un problema di lunga data, quello di individuare la condizione fisica che comporta automaticamente la violazione di realismo locale in uno stato entangled. “This proposed condition is more intrinsic, in the sense that Einstein-Podolsky-Rosen steering is by definition a form of quantum correlation that is intermediate between just entanglement and a much stronger one: violation of local realism,” spiega Chen. “Our result provides an important step forward to solving a long-standing problem of pinpointing a physical condition that automatically implies violation of local realism by an entangled state.” “In this hierarchical structure of entanglement, steering, and violations of local realism, the former contain the latter as a subset,” Chen explained. “[Marking the borders between them] is a nontrivial problem since, in general, it is not easy to reduce a superset [entanglement] to a subset [violations of local realism] by imposing extra constraints, which is just EPR steering in our work.”

La nuova famiglia di stati che violano il realismo locale potrebbe fornire una significativa risorsa per l’ informazione quantistica, riducendo il numero di particelle entangled necessarie per eseguire un compito, ad esempio nel protocollo crittografico del Terzo Uomo.

Paper di riferimento: Jing-Ling Chen, et al., Beyond Gisin’s Theorem and its Applications: Violation of Local Realism by Two-Party Einstein-Podolsky-Rosen Steering, in  Scientific Reports,  5, 11624; DOI: 10.1038/srep11624, in corso di pubblicazione. Disponibile anche su arXiv:1404.2675

Fonte: http://phys.org/news/2015-06-physicists-violations-local-realism.html

 

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