Un team di scienziati ha scoperto che una legge che controlla il comportamento bizzarro dei buchi neri nello spazio è vera anche per gli atomi di elio freddo che possono essere studiati in laboratorio.

"Si chiama legge sull'area di entanglement, "dice Adrian Del Maestro, un fisico dell'Università del Vermont che ha co-diretto la ricerca. Che questa legge appaia sia sulla vasta scala dello spazio esterno che sulla minuscola scala degli atomi, "è strano, "Dice Del Maestro, "e punta a una comprensione più profonda della realtà".

Il nuovo studio è stato pubblicato il 13 marzo sulla rivista Fisica della natura e potrebbe essere un passo avanti verso una teoria quantistica della gravità a lungo cercata e nuovi progressi nell'informatica quantistica.

In superficie

Negli anni '70, i famosi fisici Stephen Hawking e Jacob Bekenstein hanno scoperto qualcosa di strano sui buchi neri. Hanno calcolato che quando la materia cade in uno di questi buchi senza fondo nello spazio, la quantità di informazioni che divora - quella che gli scienziati chiamano la sua entropia - aumenta solo con l'aumentare della sua superficie, non il suo volume. Sarebbe come misurare quanti file ci sono in uno schedario in base alla superficie del cassetto piuttosto che alla profondità del cassetto. Come per molti aspetti della fisica moderna, controlla il tuo buon senso alla porta.

"Abbiamo scoperto che lo stesso tipo di legge viene rispettato per le informazioni quantistiche nell'elio superfluido, " dice Del Maestro. Per fare la loro scoperta, Del Maestro di UVM e tre colleghi dell'Università di Waterloo in Canada hanno creato per la prima volta una simulazione esatta della fisica dell'elio estremamente freddo dopo che si è trasformato da gas in una forma di materia chiamata superfluido:al di sotto di circa due gradi Kelvin, gli atomi di elio, che mostrano la doppia natura onda/particella scoperta da Max Planck e altri, vengono fusi insieme in modo tale che i singoli atomi non possono essere descritti indipendentemente l'uno dall'altro. Anziché, formano una danza cooperativa che gli scienziati chiamano entangled quantistico.

Utilizzando due supercomputer, compreso il Vermont Advanced Computing Core presso UVM, gli scienziati hanno esplorato le interazioni di sessantaquattro atomi di elio in un superfluido. Hanno scoperto che la quantità di informazioni quantistiche entangled condivise tra due regioni di un contenitore, una sfera di elio partizionata dal contenitore più grande, era determinata dalla superficie della sfera e non dal suo volume. Come un olografo, sembra che un volume tridimensionale di spazio sia interamente codificato sulla sua superficie bidimensionale. Proprio come un buco nero.

Questa idea era stata intuita da un principio in fisica chiamato "località", ma non era mai stata osservata prima in un esperimento. Utilizzando una simulazione numerica completa di tutti gli attributi dell'elio, gli scienziati erano, per la prima volta in assoluto, in grado di dimostrare l'esistenza della legge dell'area di entanglement in un liquido quantistico reale.

"L'elio superfluido potrebbe diventare una risorsa importante, il carburante, per una nuova generazione di computer quantistici, "dice Del Maestro, il cui lavoro è sostenuto dalla National Science Foundation. Ma per sfruttare il suo enorme potenziale di elaborazione delle informazioni, lui dice, "dobbiamo capire più a fondo come funziona."

Quartieri spettrali

Negli anni '20, Albert Einstein notoriamente, e con scetticismo, si riferiva all'entanglement come a "azione spettrale a distanza". Da quel tempo, l'entanglement è stato dimostrato come reale da numerosi esperimenti di laboratorio e teorici. Invece di sfidare il limite massimo di velocità dell'universo, la velocità della luce, ciò che l'entanglement sembra mostrare sempre più è che la nostra comprensione umana della distanza su macroscala, e il tempo stesso, può essere illusorio. Una coppia di particelle entangled può avere una comunicazione quantistica, sembrando "conoscere" lo stato dell'altro istantaneamente attraverso miglia. Ma questa intuizione mescola la nostra visione classica della realtà con una realtà quantistica più profonda in cui una forma di informazione - l'entanglement entropia - è "delocalizzata, "disteso in un sistema, con milioni di possibili stati, o "sovrapposizioni, " che si fissa solo con l'azione della misurazione. (Si consideri il gatto di Schrödinger, sia vivo che morto.)

"L'entanglement è un'informazione non classica condivisa tra parti di uno stato quantistico, " fa notare Del Maestro. E' "il tratto caratteristico della meccanica quantistica più estraneo alla nostra realtà classica".

Riuscire a capire, figuriamoci il controllo, l'entanglement quantistico in sistemi complessi con molte particelle si è dimostrato difficile. L'osservazione di una legge dell'area di entanglement in questo nuovo esperimento punta verso liquidi quantistici, come elio superfluido, come possibile mezzo per iniziare a padroneggiare l'entanglement. Per esempio, il nuovo studio rivela che la densità dell'elio superfluido regola la quantità di entanglement. Ciò suggerisce che gli esperimenti di laboratorio e, infine, i computer quantistici potrebbero manipolare la densità di un liquido quantistico come una "possibile manopola, "Dice Del Maestro, per la regolazione dell'intreccio.

Gravità di caccia

E questa nuova ricerca ha implicazioni per alcuni problemi fondamentali della fisica. Finora, lo studio della gravità ha ampiamente sfidato gli sforzi per portarlo sotto l'ombrello della meccanica quantistica, ma i teorici continuano a cercare connessioni. "La nostra teoria classica della gravità si basa sulla conoscenza esatta della forma o della geometria dello spazio-tempo, "Dice Del Maestro, ma la meccanica quantistica richiede incertezza su questa forma. Un pezzo del ponte tra questi può essere costituito dal contributo di questo nuovo studio al "principio olografico":l'esotica tesi secondo cui l'intero universo 3D potrebbe essere inteso come informazione bidimensionale, che si tratti di un gigantesco buco nero o di una microscopica pozza di elio superfluido.