I fisici dell'Università di Basilea hanno osservato per la prima volta il paradosso della meccanica quantistica Einstein-Podolsky-Rosen in un sistema di diverse centinaia di atomi interagenti. Il fenomeno risale a un famoso esperimento mentale del 1935. Consente di prevedere con precisione i risultati delle misurazioni e potrebbe essere utilizzato in nuovi tipi di sensori e metodi di imaging per i campi elettromagnetici. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Scienza .

Con che precisione possiamo prevedere i risultati delle misurazioni su un sistema fisico? Nel mondo delle minuscole particelle, che è governato dalle leggi della fisica quantistica, esiste un limite fondamentale alla precisione di tali previsioni. Questo limite è espresso dal principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che è impossibile prevedere contemporaneamente le misurazioni della posizione e della quantità di moto di una particella, o di due componenti di uno spin, con arbitraria precisione.

Una paradossale diminuzione dell'incertezza

Nel 1935, però, Albert Einstein, Boris Podolsky, e Nathan Rosen pubblicarono un famoso articolo in cui mostravano che previsioni precise sono teoricamente possibili in determinate circostanze. Fare così, hanno considerato due sistemi, A e B, in quello che è noto come stato "entangled", in cui le loro proprietà sono fortemente correlate.

In questo caso, i risultati delle misurazioni sul sistema A possono essere utilizzati per prevedere i risultati delle misurazioni corrispondenti sul sistema B con precisione arbitraria. Ciò è possibile anche se i sistemi A e B sono spazialmente separati. Il paradosso è che un osservatore può utilizzare misurazioni sul sistema A per fare affermazioni più precise sul sistema B rispetto a un osservatore che ha accesso diretto al sistema B (ma non ad A).

Prima osservazione in un sistema a molte particelle

Nel passato, esperimenti hanno utilizzato la luce o singoli atomi per studiare il paradosso EPR, che prende le sue iniziali dagli scienziati che l'hanno scoperto. Ora, un team di fisici guidato dal professor Philipp Treutlein del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea e dello Swiss Nanoscience Institute (SNI) ha osservato con successo il paradosso EPR utilizzando per la prima volta un sistema a molte particelle di diverse centinaia di atomi interagenti.

L'esperimento ha utilizzato i laser per raffreddare gli atomi fino a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. A queste temperature, gli atomi si comportano interamente secondo le leggi della meccanica quantistica e formano quello che è noto come un condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia che Einstein aveva predetto in un altro documento pionieristico nel 1925. In questa nuvola ultrafredda, gli atomi si scontrano costantemente tra loro, facendo in modo che i loro giri si impiglino.

I ricercatori hanno quindi effettuato misurazioni dello spin in regioni spazialmente separate del condensato. Grazie alle immagini ad alta risoluzione, sono stati in grado di misurare direttamente le correlazioni di spin tra le regioni separate e, allo stesso tempo, per localizzare gli atomi in posizioni precisamente definite. Con il loro esperimento, i ricercatori sono riusciti a utilizzare le misurazioni in una determinata regione per prevedere i risultati per un'altra regione.

"I risultati delle misurazioni nelle due regioni sono stati così fortemente correlati che ci hanno permesso di dimostrare il paradosso EPR, " dice il dottorando Matteo Fadel, autore principale dello studio. "È affascinante osservare un fenomeno così fondamentale della fisica quantistica in sistemi sempre più grandi. Allo stesso tempo, i nostri esperimenti stabiliscono un collegamento tra due delle opere più importanti di Einstein".

Sulla via della tecnologia quantistica

Oltre alla loro ricerca di base, gli scienziati stanno già speculando su possibili applicazioni per la loro scoperta. Per esempio, le correlazioni che sono al centro del paradosso EPR potrebbero essere utilizzate per migliorare i sensori atomici ei metodi di imaging per i campi elettromagnetici. Lo sviluppo di sensori quantistici di questo tipo è uno degli obiettivi del National Center of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), in cui il team di ricercatori è attivamente coinvolto.