Il 30 novembre, 2016, più di 100, 000 persone in tutto il mondo hanno contribuito a una serie di esperimenti di fisica quantistica unici conosciuti come The BIG Bell Test. Utilizzo di smartphone e altri dispositivi connessi a Internet, i partecipanti hanno contribuito con bit imprevedibili, che determinava il modo in cui gli atomi erano entangled, fotoni, e dispositivi superconduttori sono stati misurati in 12 laboratori in tutto il mondo. Gli scienziati hanno utilizzato l'input umano per chiudere una scappatoia ostinata nei test del principio di realismo locale di Einstein. I risultati sono stati ora analizzati, e sono riportati in questa settimana Natura .

In un test di Bell (dal nome del fisico John Stewart Bell), coppie di particelle entangled come i fotoni vengono generate e inviate in luoghi diversi, dove vengono misurate le proprietà delle particelle come i colori dei fotoni o il tempo di arrivo. Se i risultati della misurazione tendono a concordare, indipendentemente dalle proprietà che scegliamo di misurare, implica qualcosa di molto sorprendente:o la misurazione di una particella influenza istantaneamente l'altra particella (pur essendo lontana), o anche più estraneo, le proprietà non sono mai esistite realmente, ma piuttosto sono stati creati dalla misurazione stessa. Entrambe le possibilità contraddicono il realismo locale, La visione del mondo di Einstein di un universo indipendente dalle nostre osservazioni, in cui nessuna influenza può viaggiare più veloce della luce.

Il BIG Bell Test ha chiesto ai volontari umani, noto come Bellster, per scegliere le misure, per chiudere la cosiddetta "scappatoia della libertà di scelta", la possibilità che le particelle stesse influenzino la scelta della misurazione. Tale influenza, se esistesse, invaliderebbe il test; sarebbe come permettere agli studenti di scrivere le proprie domande d'esame. Questa scappatoia non può essere chiusa scegliendo con dadi o generatori di numeri casuali, perché c'è sempre la possibilità che questi sistemi fisici siano coordinati con le particelle entangled. Le scelte umane introducono l'elemento del libero arbitrio, con cui le persone possono scegliere indipendentemente da qualunque cosa le particelle possano fare.

Guidato da ICFO-The Institute of Photonic Sciences, a Barcellona, il BIG Bell Test ha reclutato partecipanti in tutto il mondo per contribuire a sequenze imprevedibili di zero e uno (bit) attraverso un videogioco online. I bit sono stati indirizzati a esperimenti all'avanguardia a Brisbane, Shanghai, Vienna, Roma, Monaco, Zurigo, Bello, Barcellona, Buenos Aires, Concepción Chile e Boulder Colorado, dove sono stati usati per impostare gli angoli dei polarizzatori e altri elementi di laboratorio per determinare come sono state misurate le particelle entangled.

I partecipanti hanno contribuito con oltre 90 milioni di bit, rendendo possibile una forte prova di realismo locale, così come altri esperimenti sul realismo in meccanica quantistica. I risultati ottenuti sono fortemente in disaccordo con la visione del mondo di Einstein, chiudere per la prima volta la scappatoia della libertà di scelta, e dimostrare diversi nuovi metodi nello studio dell'entanglement e del realismo locale.

L'ESPERIMENTO ICFO Quantum Memory

Ciascuno dei 12 laboratori nel mondo ha condotto un esperimento diverso, per testare il realismo locale in diversi sistemi fisici e per testare altri concetti relativi al realismo. ICFO ha contribuito con due esperimenti. Il team ICFO 1, composto da Pau Farrera e dal Dr. Georg Heinze, guidato dal Prof. ICREA presso ICFO Hugues de Riedmatten, ha eseguito un test di Bell utilizzando l'entanglement tra due oggetti molto diversi:un singolo fotone e una nuvola intrappolata con milioni di atomi. Questa nuvola ha agito come una "memoria quantistica" immagazzinando per qualche tempo la parte materiale dello stato entangled, e trasferendolo successivamente in un altro singolo fotone. L'entanglement è stato analizzato utilizzando interferometri ottici e rilevatori di fotoni singoli. Le impostazioni di misurazione di questi interferometri sono state scelte dai numeri casuali forniti dai Bellster. Nello specifico, i numeri casuali decidevano le tensioni che venivano applicate a un dispositivo piezoelettrico collegato agli interferometri. I risultati ottenuti contraddicono chiaramente il concetto di realismo locale.

Il team ICFO 2 ha eseguito un test di Bell utilizzando l'entanglement tra due singoli fotoni di colore diverso generati con una sorgente di coppia di fotoni allo stato solido. I ricercatori, Dott. Andreas Lenhard, Alessandro Seri, Dott. Daniel Rieländer, e la Dott.ssa Margherita Mazzera, guidato dal Prof. ICREA Hugues de Riedmatten, potrebbe generare coppie di fotoni a banda stretta in diversi modi di frequenza discreti. Dopo aver separato i fotoni della coppia, il loro coinvolgimento è stato analizzato utilizzando, in ciascuna delle due braccia, un modulatore elettro-ottico per la sovrapposizione dei diversi modi di frequenza e una cavità ottica come filtro spettrale. I numeri casuali forniti dai Bellster sono stati sfruttati per scegliere le tensioni che pilotano sia l'ampiezza di modulazione che la fase dei modulatori elettro-ottici. L'esperimento è stato condotto in collaborazione con i ricercatori ICFO Dr. Osvaldo Jimenez, Dott. Alejandro Mattár e Dott. Daniel Cavalcanti, guidato da ICREA Prof. presso ICFO Antonio Acín. Hanno sviluppato un modello per descrivere lo stato entangled generato e trovare le misurazioni ottimali per contraddire il realismo locale. Dall'esperimento effettuato il 30 novembre, 2016, le teorie del realismo locale possono essere escluse con un livello di significatività di 3 deviazioni standard, mentre una violazione più forte, di più di 8 deviazioni standard, è stato raggiunto nelle settimane successive al giorno del Big Bell Test eseguendo misurazioni più lunghe con numeri casuali umani memorizzati.

Hugues de Riedmatten, Professore ICREA presso ICFO:"Il BBT è stata una grande esperienza. È stato incredibile vedere numeri casuali creati dai Bellster di tutto il mondo prendere il controllo dei nostri esperimenti in tempo reale, e vedere così tante persone partecipare a un esperimento di fisica quantistica".

Carlos Abellan, ricercatore presso ICFO e promotore del progetto:"Il BIG Bell Test è stato un progetto incredibilmente impegnativo e ambizioso. Sembrava incredibilmente difficile il giorno zero, ma è diventato una realtà grazie agli sforzi di dozzine di scienziati appassionati, comunicatori scientifici, giornalisti e media, e soprattutto le decine di migliaia di persone che hanno contribuito all'esperimento durante il 30 novembre, 2016."

Morgan Mitchell, leader del progetto BBT e professore ICREA presso ICFO:"La cosa più sorprendente per me è che la discussione tra Einstein e Niels Bohr, dopo oltre 90 anni di sforzi per renderlo rigoroso e sperimentalmente verificabile, conserva ancora un elemento umano e filosofico. Sappiamo che il bosone di Higgs e le onde gravitazionali esistono grazie a macchine incredibili, sistemi fisici costruiti per testare le leggi della fisica. Ma il realismo locale è una domanda a cui non possiamo rispondere pienamente con una macchina. Sembra che noi stessi dobbiamo essere parte dell'esperimento, per mantenere l'Universo onesto."

Il team di BIG Bell Test ringrazia ancora una volta le migliaia di partecipanti che hanno contribuito con tanta generosità ed entusiasmo a questa iniziativa. Senza questo contributo essenziale, l'esperimento non sarebbe mai stato possibile.