L'entanglement quantistico può sembrare più vicino alla fantascienza di qualsiasi cosa nella nostra realtà fisica. Ma secondo le leggi della meccanica quantistica, una branca della fisica che descrive il mondo alla scala degli atomi e delle particelle subatomiche, l'entanglement quantistico, che Einstein una volta considerava scettico come "azione spettrale a distanza, " è, infatti, vero.

Immagina due granelli di polvere alle estremità opposte dell'universo, separati da diversi miliardi di anni luce. La teoria quantistica prevede che, nonostante la grande distanza che li separa, queste due particelle possono essere entangled. Questo è, qualsiasi misurazione effettuata su uno trasmetterà istantaneamente informazioni sull'esito di una misurazione futura sul suo partner. In quel caso, i risultati delle misurazioni su ciascun membro della coppia possono diventare altamente correlati.

Se, Invece, l'universo si comporta come Einstein immaginava dovrebbe - con le particelle che hanno le proprie, proprietà definite prima della misurazione, e con cause locali capaci solo di produrre effetti locali, allora dovrebbe esserci un limite superiore al grado in cui le misurazioni su ciascun membro della coppia di particelle potrebbero essere correlate. Il fisico John Bell ha quantificato quel limite superiore, ora noto come "disuguaglianza di Bell, "Più di 50 anni fa.

In numerosi esperimenti precedenti, i fisici hanno osservato correlazioni tra le particelle in eccesso rispetto al limite fissato dalla disuguaglianza di Bell, il che suggerisce che sono davvero impigliati, proprio come previsto dalla teoria quantistica. Ma ognuno di questi test è stato soggetto a varie "scappatoie, " scenari che potrebbero spiegare le correlazioni osservate anche se il mondo non fosse governato dalla meccanica quantistica.

Ora, fisici del MIT, l'Università di Vienna, e altrove hanno affrontato una lacuna nei test della disuguaglianza di Bell, nota come la scappatoia della libertà di scelta, e hanno presentato una forte dimostrazione di entanglement quantistico anche quando la vulnerabilità a questa scappatoia è significativamente ridotta.

"Il patrimonio immobiliare lasciato agli scettici della meccanica quantistica si è notevolmente ridotto, "dice David Kaiser, il Professore di Storia della Scienza di Germeshausen e professore di fisica al MIT. "Non ce ne siamo liberati, ma l'abbiamo ridotto di 16 ordini di grandezza".

Un gruppo di ricerca che include Kaiser; Alan Guth, il Victor F. Weisskopf Professore di Fisica al MIT; Andrew Friedman, un ricercatore associato al MIT; e colleghi di
l'Università di Vienna e altrove ha pubblicato oggi i suoi risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Chiudere la porta sulle alternative quantistiche

La scappatoia della libertà di scelta si riferisce all'idea che gli sperimentatori hanno totale libertà nella scelta della loro configurazione sperimentale, dai tipi di particelle da impigliare, alle misurazioni che scelgono di fare su quelle particelle. Ma cosa accadrebbe se ci fossero altri fattori o variabili nascoste correlate con il setup sperimentale, facendo apparire i risultati quantisticamente entangled, quando in realtà erano il risultato di qualche meccanismo non quantistico?

I fisici hanno tentato di affrontare questa scappatoia con esperimenti estremamente controllati, in cui producono una coppia di fotoni entangled da un'unica sorgente, quindi inviare i fotoni a due diversi rivelatori e misurare le proprietà di ciascun fotone per determinarne il grado di correlazione, o intreccio. Per escludere la possibilità che variabili nascoste possano aver influenzato i risultati, i ricercatori hanno utilizzato generatori di numeri casuali su ciascun rivelatore per decidere quale proprietà di ciascun fotone misurare, nella frazione di secondo tra quando il fotone lascia la sorgente e arriva al rivelatore.

Ma c'è una possibilità, per quanto lieve, che le variabili nascoste, o influenze non quantistiche, può influenzare un generatore di numeri casuali prima che trasmetta la sua decisione in una frazione di secondo al rivelatore di fotoni.

"Al centro dell'entanglement quantistico c'è l'alto grado di correlazioni nei risultati delle misurazioni su queste coppie [di particelle], "Dice Kaiser. "Ma cosa succederebbe se uno scettico o un critico insistesse che queste correlazioni non erano dovute a queste particelle che agiscono in modo completamente meccanico quantistico? Vogliamo chiarire se c'è un altro modo in cui quelle correlazioni potrebbero essersi insinuate senza che ce ne fossimo accorti".

"Stelle allineate"

Nel 2014, Kaiser, Friedman, e il loro collega Jason Gallicchio (ora professore all'Harvey Mudd College) hanno proposto un esperimento per utilizzare antichi fotoni provenienti da fonti astronomiche come stelle o quasar come "generatori di ambientazioni cosmiche, "piuttosto che generatori di numeri casuali sulla Terra, per determinare le misurazioni da effettuare su ciascun fotone entangled. Tale luce cosmica arriverebbe sulla Terra da oggetti che sono molto lontani, ovunque da decine a miliardi di anni luce di distanza. Così, se alcune variabili nascoste dovessero interferire con la casualità della scelta delle misure, avrebbero dovuto mettere in moto quei cambiamenti prima che la luce lasciasse la sorgente cosmica, molto prima che venisse condotto l'esperimento sulla Terra.

In questo nuovo documento, i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta sperimentalmente la loro idea. Il gruppo, tra cui il professor Anton Zeilinger e il suo gruppo al

Università di Vienna e Accademia austriaca delle scienze, impostare una sorgente per produrre coppie di fotoni altamente entangled sul tetto di un laboratorio universitario di Vienna. In ogni esecuzione sperimentale, hanno sparato i fotoni entangled in direzioni opposte, verso i rilevatori situati in edifici a diversi isolati di distanza:la Banca nazionale austriaca e un secondo edificio universitario.

I ricercatori hanno anche installato telescopi in entrambi i siti di rilevamento e li hanno addestrati sulle stelle, il più vicino dei quali dista circa 600 anni luce, che avevano precedentemente determinato avrebbe inviato fotoni sufficienti, o la luce delle stelle, nella loro direzione.

"In quelle notti, le stelle allineate, " dice Friedman. "E con stelle luminose come queste, il numero di fotoni in arrivo può essere come una manichetta antincendio. Quindi abbiamo questi rivelatori molto veloci in grado di registrare rilevamenti di fotoni cosmici su scale temporali inferiori al nanosecondo".

"Fuori di testa" con Einstein

Nei pochi microsecondi prima che un fotone entangled arrivasse a un rivelatore, i ricercatori hanno utilizzato ciascun telescopio per misurare rapidamente una proprietà di un fotone stellare in arrivo, in questo caso, se la sua lunghezza d'onda fosse più rossa o più blu di una particolare lunghezza d'onda di riferimento. Hanno quindi usato questa proprietà casuale del fotone stellare, generato 600 anni fa dalla sua stella, per determinare quale proprietà dei fotoni entangled in arrivo misurare. In questo caso, fotoni stellari rossi hanno segnalato a un rivelatore di misurare la polarizzazione di un fotone entangled in una particolare direzione. Un fotone stellare blu imposterebbe il dispositivo per misurare la polarizzazione della particella entangled lungo una direzione diversa.

Il team ha condotto due esperimenti, con ogni corsa sperimentale della durata di soli tre minuti. In ogni caso, i ricercatori hanno misurato circa 100, 000 coppie di fotoni entangled. Hanno scoperto che le misurazioni di polarizzazione delle coppie di fotoni erano altamente correlate, ben oltre il limite fissato dalla disuguaglianza di Bell, in un modo che è più facilmente spiegabile dalla meccanica quantistica.

"Troviamo risposte coerenti con la meccanica quantistica in misura enormemente forte, e enormemente fuori di testa con una previsione simile a Einstein, " dice Kaiser.

I risultati rappresentano miglioramenti di 16 ordini di grandezza rispetto ai precedenti sforzi per affrontare la scappatoia della libertà di scelta.

"Tutti gli esperimenti precedenti avrebbero potuto essere soggetti a questa strana scappatoia per spiegare i risultati microsecondi prima di ogni esperimento, contro i nostri 600 anni, "Dice Kaiser. "Quindi c'è una differenza di un milionesimo di secondo rispetto a 600 anni di secondi:16 ordini di grandezza".

"Questo esperimento ritarda l'ultimo momento in cui la cospirazione avrebbe potuto iniziare, "Guth aggiunge. "Stiamo dicendo, per simulare un meccanismo pazzo
meccanica quantistica nel nostro esperimento, quel meccanismo doveva essere in atto 600 anni fa per pianificare il nostro esperimento qui oggi, e di aver inviato fotoni dei messaggi giusti per riprodurre i risultati della meccanica quantistica. Quindi è molto inverosimile".

C'è anche un secondo, possibilità altrettanto inverosimile, dice Michael Hall, un ricercatore senior presso la Griffith University di Brisbane, Australia.

"Quando i fotoni delle stelle lontane raggiungono i dispositivi che determinano le impostazioni di misurazione, è possibile che questi dispositivi agiscano in qualche modo per cambiare i colori dei fotoni, in modo correlato con il laser che produce l'entanglement, "dice Sala, chi non era coinvolto nell'opera. "Ciò richiederebbe solo una cospirazione vecchia di 10 microsecondi tra i dispositivi e il laser. Tuttavia, l'idea che i fotoni non mostrino i loro "veri colori" quando vengono rilevati capovolgerebbe tutta l'astronomia osservativa e l'elettromagnetismo di base".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.