Entanglement Quantistico

Vi è mai capitato di guardare un film di fantascienza e di sentire la parola “teletrasporto”? Vi piacerebbe l’idea di essere teletrasportati da quell’ora noiosa di storia per ritrovarvi al vostro letto a dormire? Se la risposta è affermativa vi posso dire che forse non è impossibile, grazie ad un fenomeno quantistico: l’entanglement.

L’entanglement quantistico è quel fenomeno fisico quantistico, ovvero non riconducibile alle leggi della fisica classica, per cui due particelle sono invisibilmente connesse fra loro: lo stato di una determina istantaneamente lo stato dell’altra.

Queste particelle non possono essere descritte da singoli sistemi separati, ma soltanto attraverso un unico sistema in grado di legarle assieme, da cui nasce il termine entanglement (da “entangled”, “correlate”, “intrecciate”).

E’ normale sentirsi persi parlando del mondo quantistico, un mondo che funziona in un modo decisamente controintuitivo. Il modo migliore, a mio parere, per capire come stanno davvero le cose potrebbe essere quello di analizzare un esperimento interessante diventato ormai un classico della fisica dei quanti.

L’esperimento ha lo scopo di trasformare un singolo fotone, ovvero una particella legata alla luce e più in generale alla radiazione elettromagnetica, ad alta energia in due fotoni a energia inferiore che condividono lo stesso destino quantistico. Ciò può essere realizzato grazie al seguente apparato sperimentale:

L’entanglement quantistico è quel fenomeno fisico quantistico, ovvero non riconducibile alle leggi della fisica classica, per cui due particelle sono invisibilmente connesse fra loro: lo stato di una determina istantaneamente lo stato dell’altra.
Queste particelle non possono essere descritte da singoli sistemi separati, ma soltanto attraverso un unico sistema in grado di legarle assieme, da cui nasce il termine entanglement (da “entangled”, “correlate”, “intrecciate”).
E’ normale sentirsi persi parlando del mondo quantistico, un mondo che funziona in un modo decisamente controintuitivo. Il modo migliore, a mio parere, per capire come stanno davvero le cose potrebbe essere quello di analizzare un esperimento interessante diventato ormai un classico della fisica dei quanti.
L’esperimento ha lo scopo di trasformare un singolo fotone, ovvero una particella legata alla luce e più in generale alla radiazione elettromagnetica, ad alta energia in due fotoni a energia inferiore che condividono lo stesso destino quantistico. Ciò può essere realizzato grazie al seguente apparato sperimentale:
Per cominciare, viene inviato il raggio laser sul cristallo. La luce, o meglio la radiazione elettromagnetica, è costituita da particelle che viaggiano alla velocità della luce (una delle costanti fondamentali della fisica) chiamate fotoni e che, in questo modo, colpiscono il cristallo. Durante lo scontro circa un fotone ogni miliardo interagisce con la struttura atomica del cristallo producendo due fotoni correlati (o entangled) che chiameremo “gemelli” e che, con molta fantasia, denotiamo con fotone A e fotone B.

Per eseguire l’esperimento immaginiamo adesso di poter chiedere aiuto a due assistenti di laboratorio: Spongebob e Patrick, i quali ci aiuteranno nell’utilizzo dei polarizzatori. Prima di tutto chiediamo loro di disporsi nella zona in cui vengono inviati i due fotoni gemelli.

Per come sono stati creati i due fotoni possiamo ottenere due possibili risultati: se Spongebob vede passare il fotone A nel suo polarizzatore, anche Patrick vedrà passare il fotone B nel suo; analogamente se Spongebob non vede passare il fotone A nel polarizzatore a lui assegnato, nemmeno Patrick vedrà passare il fotone B, e viceversa.

I due amici otterranno sempre lo stesso risultato indipendentemente dalla loro distanza: se Spongebob effettua la misura sulla Terra e Patrick si trova nella Galassia di Andromeda, il fotone di Patrick assumerà lo stesso identico stato, facendoci credere che sia possibile un passaggio di informazione istantanea e quindi superiore alla velocità massima raggiungibile, ovvero quella della luce.

Un’idea simile non piaceva affatto a un uomo che ha rivoluzionato la fisica dello scorso secolo e che forse avrete già sentito nominare: Albert Einstein. Per Einstein l’idea che le particelle non avessero proprietà definite finché non venivano osservate era semplicemente inaccettabile. Einstein sosteneva che se Spongebob e Patrick ottengono lo stesso risultato, non è perché i fotoni si sono influenzati a distanza, ma perché si erano in qualche modo messi d’accordo prima, più precisamente nell’istante esatto in cui il fotone primario si è sdoppiato.

Nel 1935 Einstein, insieme ai colleghi Podolsky e Rosen, formulò quello che divenne noto come Paradosso EPR (dalle loro iniziali). La loro tesi era cruda: i fotoni “gemelli” possiedono sin dalla nascita un set di istruzioni segrete, chiamate variabili nascoste, che possiamo immaginare come un DNA fisico impresso alla partenza ed in grado di determinare ogni movimento futuro. Per i tre fisici l’entanglement non è una connessione magica o istantanea ma una proprietà già scritta che noi ci limitiamo a scoprire nel momento della misura.

Facciamo un passo avanti di quasi trent’anni ed arriviamo al 1964, quando un fisico nordirlandese di nome John Bell trova il modo di mettere alla prova le idee di Einstein, Podolsky e Rosen. Bell capisce che se i fotoni avessero davvero questo “DNA segreto”, i risultati di Spongebob e Patrick dovrebbero seguire delle regole matematiche ben precise, chiamate “disuguaglianze di Bell”.

∣S∣≤2

S = E(a, b) – E(a, b’) + E(a’, b) + E(a’, b’)

Questa regola stabilisce un limite: se i fotoni sono oggetti indipendenti che seguono istruzioni pre-scritte, non possono essere d’accordo “troppo spesso” quando i polarizzatori vengono orientati in direzioni diverse. Se i due amici, Spongebob e Patrick, osservano un superamento di quel limite, allora Einstein ha torto: non c’è nessun “DNA” e la connessione è davvero istantanea e non-locale.

La prova concreta di questa intuizione avuta dal fisico nordirlandese con gli anni è riuscita a passare dal mondo delle idee a quello dei laboratori e ha portato al Premio Nobel per la Fisica nel 2022, assegnato ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger. Questi scienziati hanno realizzato un esperimento straordinario per verificare il limite imposto dalle disuguaglianze di Bell: hanno separato i due fotoni e hanno cambiato l’orientamento dei polarizzatori mentre le particelle erano già “in volo”. Questo passaggio risulta fondamentale perché non permette ai fotoni di avere il tempo materiale per scambiarsi alcun segnale, se la distanza fra i due è maggiore di quella che la luce stessa può percorrere in quell’intervallo di tempo.

I risultati sperimentali furono incredibili: Spongebob e Patrick hanno effettivamente violato le Disuguaglianze di Bell. I due amici si sono trovati d’accordo molto più spesso di quanto sarebbe stato possibile se avessero seguito delle istruzioni pre-scritte, confermando che le variabili nascoste di Einstein non esistono: la realtà non è decisa in anticipo, si rivela istantaneamente attraverso un legame che “supera le distanze nello spazio e nel tempo”.

Ma… torniamo alla nostra ora di storia: potremo mai teletrasportarci via? Come può aiutarci l’entanglement a superare la noia? La risposta è ‘sì’, teoricamente, ma con un grosso asterisco. Grazie all’entanglement, gli scienziati riescono già a effettuare quello che è chiamato “teletrasporto quantistico”, che consiste nel trasferimento dello stato di una particella a una sua gemella lontana. Purtroppo però noi esseri umani siamo molto più complessi di una singola particella e, per teletrasportarci, dovremmo prima “scansionarci” per poi “distruggere” la nostra versione originale, la quale verrà ricostruita sotto forma di copia altrove.

Forse, per ora, è meno rischioso aspettare il suono della campanella, consci del fatto che viviamo in un universo molto più intrecciato e sorprendente di quanto avessimo mai immaginato.

Bibliografia e consigli di lettura:

– Gian Carlo Ghirardi – Un’Occhiata Alle Carte Di Dio.

– Carlo cosmelli – Fisica per filosofi

– asimmetrie.it

https://www.asimmetrie.it › entanglement