(Phys.org)—I fisici hanno riportato alcune delle prove più evidenti che il mondo quantistico non obbedisce al realismo locale, dimostrando nuove prove dell'esistenza dell'entanglement quantistico. Eseguendo un Bell test essenzialmente privo di scappatoie, hanno dimostrato che due atomi separati da una distanza di un quarto di miglio condividono correlazioni che dovrebbero essere impossibili nell'ipotesi del realismo locale, e sono molto probabilmente spiegati dall'entanglement quantistico.

Il nuovo test Bell è stato eseguito da un gruppo di ricercatori guidati da Harald Weinfurter della Ludwig Maximilian University di Monaco e del Max Planck Institute for Quantum Optics, entrambi in Germania.

La probabilità che le correlazioni osservate possano essere spiegate dal realismo locale a causa di alcune "variabili nascoste" sconosciute piuttosto che dall'entanglement è inferiore a uno su un miliardo, scrivono i fisici nel loro articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica . Tenendo conto di tutti i dati accumulati, preso nel corso di sette mesi, quella probabilità diminuisce ulteriormente, fino a circa un quadrilione su dieci (il numero 1 seguito da 16 zeri). Ciò significa che il mondo quantistico viola o la località (che gli oggetti distanti non possono influenzarsi a vicenda in meno di un certo periodo di tempo) o il realismo (che gli oggetti esistono indipendentemente dal fatto che qualcuno li misuri o meno), o forse entrambi.

Tre Bell test

Il test qui riportato è l'ultimo Bell test senza scappatoie:quello che chiude simultaneamente le due scappatoie più grandi, la scappatoia di località e la scappatoia di rilevamento. Colmare entrambe le scappatoie è vitale per escludere qualsiasi spiegazione alternativa, come la possibilità che due oggetti entangled condividano segretamente informazioni (scappatoia di località) o che le particelle rilevate non siano rappresentative dell'intero campione ma piuttosto formino un sottoinsieme speciale che distorce i dati (scappatoia di rilevamento).

Il primo Bell test senza scappatoie, segnalato nel 2015 da un team guidato da Ronald Hanson presso l'Università di Delft, ha dimostrato l'entanglement tra gli spin elettronici dei centri di azoto vacante (NV) nel diamante. Poco dopo, altri test Bell privi di scappatoie hanno riportato l'entanglement tra i fotoni. Il test di Bell qui riportato dimostra l'entanglement tra un terzo tipo di sistema:gli stati di spin degli atomi.

"Secondo me, il più grande significato di questo lavoro è l'esclusione definitiva dal realismo locale, " coautore Wenjamin Rosenfeld, alla Ludwig Maximilian University di Monaco e al Max Planck Institute for Quantum Optics, detto Phys.org . "È positivo che esperimenti simili siano stati eseguiti con sistemi diversi (fotoni, centri NV) essenzialmente allo stesso tempo, quindi tutti i risultati insieme possono essere considerati veramente conclusivi. Ora non è più una questione di fede se la natura può o non può essere descritta in modo locale-realistico, ma un dato di fatto. (Però, il problema della libertà di scelta deve ancora essere risolto.)"

Setup sperimentale

Il nuovo esperimento prevedeva l'intrappolamento di un atomo di rubidio nel seminterrato dell'edificio di fisica presso l'Università Ludwig Maximilian di Monaco e l'intrappolamento di un secondo atomo di rubidio nel seminterrato dell'edificio di economia, circa 400 metri di distanza. Una fibra ottica collegava i due siti di misura.

Nei loro test, gli scienziati eccitarono gli atomi, facendo sì che emettano fotoni in momenti precisamente definiti. I fotoni hanno quindi viaggiato attraverso la fibra ottica e hanno interferito tra loro. Questa interferenza quantistica, in teoria, fa sì che gli atomi si aggroviglino. Per rilevare questo intreccio, i ricercatori hanno eseguito misurazioni sui fotoni, ripetere le misurazioni più e più volte per decine di migliaia di coppie di fotoni. I risultati hanno mostrato in modo schiacciante che le coppie di fotoni distanti erano effettivamente entangled.

Ultima scappatoia

Una delle ultime possibili scappatoie per la maggior parte dei test di Bell riguarda la scelta della misura effettuata sugli atomi. Poiché queste misurazioni possono essere eseguite in più modi, è importante confermare che lo sperimentatore è libero di scegliere quale particolare misurazione effettuare, e che le variabili nascoste non influenzano la scelta della misurazione e in qualche modo consentono agli atomi di sincronizzare le loro proprietà. Questa possibilità è chiamata scappatoia del libero arbitrio o della libertà di scelta.

Per tentare di chiudere questa scappatoia, i ricercatori hanno utilizzato un generatore di numeri casuali quantistici ad alta velocità che sceglie impostazioni di misurazione che sono veramente casuali, quasi. Il problema è che esiste una minima possibilità che i generatori di numeri casuali possano aver comunicato tra loro o con il resto dell'esperimento prima dell'inizio dell'esperimento. Questo potrebbe consentire agli atomi di conoscere i numeri casuali, e di conseguenza le misure da eseguire, in anticipo, consentendo loro di sincronizzare le loro proprietà.

I fisici spiegano che l'unico modo per chiudere completamente questa scappatoia è usare un generatore di numeri casuali extraterrestre, come l'emissione di fotoni intrinsecamente casuale da stelle situate a milioni di anni luce di distanza. La grande distanza tra le stelle e un esperimento sulla Terra renderebbe praticamente impossibile che avvenga qualsiasi comunicazione segreta, poiché significherebbe che tale comunicazione avrebbe dovuto avvenire prima che la luce lasciasse le stelle, milioni di anni fa. Diversi laboratori di fisica stanno attualmente sviluppando generatori di numeri casuali extraterrestri per questo scopo.

Comunicazione sicura

Poiché è probabile che l'entanglement quantistico rappresenti una risorsa importante nelle future tecnologie quantistiche sicure, colmare queste scappatoie aiuta ad aumentare la sicurezza delle applicazioni future al livello più fondamentale. I ricercatori si aspettano che i metodi utilizzati in questo studio contribuiranno anche a nuovi sviluppi nei sistemi di informazione quantistica e nelle reti di ripetitori quantistici, che vengono utilizzati per comunicare informazioni quantistiche su lunghe distanze. Hanno in programma di indagare ulteriormente su questa applicazione in futuro.

"A parte ulteriori questioni fondamentali che considerano la problematica della libertà di scelta, c'è molto su cui si può lavorare qui, " ha detto Rosenfeld. "Da un lato si può provare a spingere ulteriormente il sistema (in particolare la fedeltà dello stato entangled) per essere in grado di eseguire i cosiddetti protocolli "indipendenti dal dispositivo". Questi permetterebbero di ottenere una chiave crittografica sicura anche da dispositivi potenzialmente non attendibili (forniti da terzi). Qui, La disuguaglianza di Bell offre la possibilità di testare, se i dispositivi siano stati in qualche modo preparati in anticipo per produrre una chiave nota a un avversario. Inoltre, le tecniche per generare entanglement tra oggetti distanti sono importanti per le reti quantistiche che consentono comunicazioni sicure su lunghe distanze".

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