Coerenza ed entanglement: due facce della stessa medaglia

Coerenza quantistica ed entanglement sono fenomeni funzionalmente equivalenti ma (ancora) concettualmente distinti. A dimostrarlo è un recente studio comparso sulla rivista Physical Review Letters. Sappiamo che entrambi dipendono dalla sovrapposizione quantistica che consente ad un sistema di trovarsi in due stati differenti nello stesso istante t (come se dicessimo che un gatto è sia vivo che morto). La sovrapposizione quantistica è infatti una proprietà unica delle particelle: un fotone può esistere in due stati differenti (polarizzazione verticale e orizzontale, ad esempio). Questo significa che invece di spedire segnali in codice digitale, cioè 0 e 1, la comunicazione quantistica può spedire informazioni in stati di sovrapposizione che rappresentano sia 0 che 1 allo stesso tempo. Ricordo cosa si intende per coerenza ed entanglement.

Lo studio degli stati coerenti costituisce uno dei più grandi problemi che i fisici si sono trovati ad affrontare in seguito allo sviluppo della meccanica quantistica. La nozione di stato coerente era inizialmente legata ad un ambito strettamente meccanico, cioè allo studio dell’oscillatore armonico e di altri sistemi dinamici. La loro introduzione a livello concettuale risale infatti ad un articolo pubblicato nel 1926, in cui Schrödinger riporta l’esistenza di una classe di stati dell’oscillatore armonico che mostrano, in certo qual modo, un comportamento analogo a quello di un oscillatore classico: per tali stati si verifica che l’energia media corrisponde al valore classico e le medie di posizione e impulso hanno forme oscillatorie in relazione di fase costante.

Gli stati quasi classici individuati da Schrödinger presentano, oltre alle caratteristiche già citate, un importante aspetto: essendo rappresentati da pacchetti d’onda gaussiani che non cambiano forma nel tempo, garantiscono la minimizzazione del prodotto tra le incertezze sulla posizione e sull’impulso, cioè la condizione più vicina alla possibilità di misurare contemporaneamente le suddette grandezze con precisione arbitraria, consentita dalla fisica classica. Una volta isolate funzioni d’onda di questo genere per un oscillatore armonico, l’obiettivo di Schrödinger era la ricerca di stati simili per altri sistemi dinamici, primo tra tutti l’atomo d’idrogeno (tentativo non andato a buon fine).

(foto: Corbis Images)

Crediti: Corbis Images.

L’entanglement è un fenomeno, privo di analogo classico, che si verifica a livello quantistico, 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.

Veniamo alla ricerca in corso di pubblicazione. Un gruppo di ricercatori guidato da Gerardo Adesso, professore associato all’università di Nottingham, ha dimostrato che coerenza ed entanglement sono quantitativamente (o, meglio, operativamente) equivalenti ma non identici: “per esempio, la coerenza può essere presente in sistemi quantistici singoli, dove l’entanglement non è ben definito. Inoltre, la coerenza è definita rispetto ad un ambiente dato, mentre l’entanglement è invariante per cambiamenti su base locale. Per questi motivi riteniamo che la coerenza e l’entanglement siano operativamente equivalenti ma concettualmente diversi”, hanno spiegato i coautori della ricerca Uttam Singh, Himadri Dhar e Manabendra Bera.

Come si legge nell’abstract dell’articolo, la coerenza quantistica è un ingrediente essenziale per l’elaborazione dell’informazione quantistica e svolge un ruolo centrale in settori emergenti come la termodinamica su  nanoscala e la biologia quantistica. Tuttavia, la nostra comprensione e la caratterizzazione quantitativa della coerenza come risorsa operativa sono ancora molto limitate. Un primo passo viene fatto proprio in questa ricerca, in quanto si propone la conversione di qualsiasi livello di coerenza in uno stato incoerente di entanglement.

Oggi gli stati coerenti trovano ampio utilizzo nello studio delle proprietà della statistica dei fotoni nei campi elettromagnetici; anche nell’ambito dell’elettrodinamica quantistica è possibile ricorrere ad una descrizione della radiazione in termini di stati coerenti per stabilire una corrispondenza tra i campi classici e i campi quantizzati; se gli oscillatori equivalenti al campo elettromagnetico sono in uno stato coerente, i valori attesi del campo elettrico e del campo magnetico si evolvono come i corrispondenti valori classici: ciò rende possibile introdurre un concetto di coerenza della radiazione anche in ambito quantistico. Se, poi, si affianca a tutto ciò l’importanza degli stati entangled è evidente che ricerche simili saranno molto importanti per lo sviluppo della crittografia e della comunicazione quantistica.

Paper: Alexander Streltsov, et al. Measuring Quantum Coherence with Entanglement, in Physical Review Letters. (in corso di pubblicazione) Disponibile su  arXiv:1502.05876 [quant-ph]

Fonte: http://phys.org/news/2015-06-physicists-quantum-coherence-entanglement-sides.html

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...