L'anno scorso, fisici al MIT, l'Università di Vienna, e altrove ha fornito un forte supporto per l'entanglement quantistico, l'idea apparentemente lontana che due particelle, non importa quanto distanti l'uno dall'altro nello spazio e nel tempo, possono essere indissolubilmente legati, in un modo che sfida le regole della fisica classica.

Prendere, ad esempio, due particelle che si trovano ai bordi opposti dell'universo. Se sono veramente impigliati, quindi, secondo la teoria della meccanica quantistica, le loro proprietà fisiche dovrebbero essere messe in relazione in modo tale che qualsiasi misurazione effettuata su una particella dovrebbe trasmettere istantaneamente informazioni su qualsiasi futuro risultato di misurazione dell'altra particella, correlazioni che Einstein vide con scetticismo come "azione spettrale in un distanza."

Negli anni Sessanta, il fisico John Bell calcolò un limite teorico oltre il quale tali correlazioni devono avere un quanto, piuttosto che un classico, spiegazione.

Ma cosa accadrebbe se tali correlazioni fossero il risultato non dell'entanglement quantistico, ma di qualche altro nascosto, spiegazione classica? Tali "e se" sono noti ai fisici come scappatoie per i test della disuguaglianza di Bell, il più ostinato dei quali è la scappatoia della "libertà di scelta":la possibilità che alcuni nascosti, variabile classica può influenzare la misurazione che uno sperimentatore sceglie di eseguire su una particella entangled, facendo sembrare il risultato quantisticamente correlato quando in realtà non lo è.

Lo scorso febbraio, il team del MIT e i loro colleghi hanno limitato in modo significativo la scappatoia della libertà di scelta, usando la luce stellare di 600 anni per decidere quali proprietà di due fotoni entangled misurare. Il loro esperimento ha dimostrato che, se un meccanismo classico ha causato le correlazioni osservate, avrebbe dovuto essere messo in moto più di 600 anni fa, prima che la luce delle stelle fosse emessa per la prima volta e molto prima che l'esperimento vero e proprio fosse concepito.

Ora, in un articolo pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , lo stesso team ha ampiamente esteso il caso dell'entanglement quantistico e ha ulteriormente limitato le opzioni per la scappatoia della libertà di scelta. I ricercatori hanno utilizzato quasar distanti, uno dei quali emetteva la sua luce 7,8 miliardi di anni fa e l'altro 12,2 miliardi di anni fa, determinare le misure da effettuare su coppie di fotoni entangled. Hanno trovato correlazioni tra più di 30, 000 coppie di fotoni, ad un livello che superava di gran lunga il limite originariamente calcolato da Bell per un meccanismo di base classica.

"Se sta accadendo una cospirazione per simulare la meccanica quantistica con un meccanismo che è in realtà classico, quel meccanismo avrebbe dovuto iniziare le sue operazioni, sapendo in qualche modo esattamente quando, dove, e come si sarebbe svolto questo esperimento, almeno 7,8 miliardi di anni fa. Sembra incredibilmente poco plausibile, quindi abbiamo prove molto forti che la meccanica quantistica è la spiegazione giusta, ", afferma il coautore Alan Guth, il Victor F. Weisskopf Professore di Fisica al MIT.

"La Terra ha circa 4,5 miliardi di anni, quindi qualsiasi meccanismo alternativo, diverso dalla meccanica quantistica, che avrebbe potuto produrre i nostri risultati sfruttando questa scappatoia avrebbe dovuto essere in atto molto prima che esistesse anche un pianeta Terra, figuriamoci un MIT, "aggiunge David Kaiser, il Professore di Storia della Scienza di Germeshausen e professore di fisica al MIT. "Quindi abbiamo rimandato qualsiasi spiegazione alternativa ai primissimi tempi della storia cosmica".

I coautori di Guth e Kaiser includono Anton Zeilinger e membri del suo gruppo presso l'Accademia austriaca delle scienze e l'Università di Vienna, così come i fisici dell'Harvey Mudd College e dell'Università della California a San Diego.

Una decisione, fatto miliardi di anni fa

Nel 2014, Kaiser e due membri della squadra attuale, Jason Gallicchio e Andrew Friedman, propose un esperimento per produrre fotoni entangled sulla Terra, un processo che è abbastanza standard negli studi di meccanica quantistica. Avevano pianificato di sparare a ciascun membro della coppia impigliata in direzioni opposte, verso rilevatori di luce che effettuerebbe anche una misurazione di ciascun fotone utilizzando un polarizzatore. I ricercatori misurerebbero la polarizzazione, o orientamento, del campo elettrico di ogni fotone in arrivo, impostando il polarizzatore a vari angoli e osservando se i fotoni sono passati attraverso, un risultato per ogni fotone che i ricercatori potrebbero confrontare per determinare se le particelle hanno mostrato le correlazioni caratteristiche previste dalla meccanica quantistica.

Il team ha aggiunto un passaggio unico all'esperimento proposto, che doveva usare la luce dell'antichità, fonti astronomiche lontane, come stelle e quasar, per determinare l'angolo al quale impostare ciascun rispettivo polarizzatore. Poiché ogni fotone entangled era in volo, dirigendosi verso il suo rivelatore alla velocità della luce, i ricercatori utilizzerebbero un telescopio situato in ciascun sito di rilevamento per misurare la lunghezza d'onda della luce in arrivo da un quasar. Se quella luce fosse più rossa di una certa lunghezza d'onda di riferimento, il polarizzatore si inclinerebbe di un certo angolo per effettuare una misurazione specifica del fotone entangled in arrivo, una scelta di misurazione determinata dal quasar. Se la luce del quasar fosse più blu della lunghezza d'onda di riferimento, il polarizzatore si inclinerebbe con un'angolazione diversa, eseguire una diversa misurazione del fotone entangled.

Nel loro precedente esperimento, il team ha utilizzato piccoli telescopi da cortile per misurare la luce proveniente da stelle distanti fino a 600 anni luce. Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno usato molto più grande, telescopi più potenti per catturare la luce in arrivo da ancora più antichi, sorgenti astrofisiche lontane:quasar la cui luce viaggia verso la Terra da almeno 7,8 miliardi di anni, oggetti che sono incredibilmente lontani eppure sono così luminosi che la loro luce può essere osservata dalla Terra.

Tempi difficili

L'11 gennaio 2018, "l'orologio era appena passato la mezzanotte ora locale, "come ricorda Kaiser, quando una dozzina di membri del team si sono riuniti sulla cima di una montagna nelle Isole Canarie e hanno iniziato a raccogliere dati da due grandi, Telescopi larghi 4 metri:il William Herschel Telescope e il Telescopio Nazionale Galileo, entrambi situati sulla stessa montagna e separati da circa un chilometro.

Un telescopio focalizzato su un particolare quasar, mentre l'altro telescopio osservava un altro quasar in un punto diverso del cielo notturno. Nel frattempo, i ricercatori di una stazione situata tra i due telescopi hanno creato coppie di fotoni entangled e particelle irradiate da ciascuna coppia in direzioni opposte verso ciascun telescopio.

Nella frazione di secondo prima che ogni fotone entangled raggiungesse il suo rivelatore, la strumentazione ha determinato se un singolo fotone in arrivo dal quasar era più rosso o blu, una misurazione che ha poi regolato automaticamente l'angolo di un polarizzatore che alla fine ha ricevuto e rilevato il fotone entangled in arrivo.

"Il tempismo è molto difficile, " dice Kaiser. "Tutto deve avvenire all'interno di finestre molto strette, aggiornando ogni microsecondo o giù di lì."

Demistificare un miraggio

I ricercatori hanno eseguito il loro esperimento due volte, ciascuno per circa 15 minuti e con due diverse coppie di quasar. Per ogni corsa, hanno misurato 17, 663 e 12, 420 coppie di fotoni entangled, rispettivamente. A poche ore dalla chiusura delle cupole del telescopio e dall'esame dei dati preliminari, il team poteva dire che c'erano forti correlazioni tra le coppie di fotoni, oltre il limite calcolato da Bell, indicando che i fotoni erano correlati in modo quantomeccanico.

Guth ha condotto un'analisi più dettagliata per calcolare la probabilità, per quanto lieve, che un meccanismo classico potrebbe aver prodotto le correlazioni osservate dal team.

Ha calcolato che, per la migliore delle due manche, la probabilità che un meccanismo basato sulla fisica classica potesse aver raggiunto la correlazione osservata era di circa 10 a meno 20, cioè circa una parte su cento miliardi di miliardi, "oltraggiosamente piccolo, " dice Guth. Per fare un confronto, i ricercatori hanno stimato che la probabilità che la scoperta del bosone di Higgs sia stata solo un caso fortuito è di circa una su un miliardo.

"Certamente abbiamo reso incredibilmente poco plausibile che una teoria realistica locale potesse essere alla base della fisica dell'universo, " dice Guth.

E ancora, c'è ancora una piccola apertura per la scappatoia della libertà di scelta. Per limitarlo ulteriormente, il team ha l'idea di guardare ancora più indietro nel tempo, utilizzare fonti come i fotoni cosmici di fondo a microonde che sono stati emessi come radiazione residua immediatamente dopo il Big Bang, sebbene tali esperimenti presenterebbero una serie di nuove sfide tecniche.

"È divertente pensare a nuovi tipi di esperimenti che possiamo progettare in futuro, ma per ora, siamo molto lieti di essere stati in grado di affrontare questa particolare scappatoia in modo così drammatico. Il nostro esperimento con i quasar pone vincoli estremamente rigidi a varie alternative alla meccanica quantistica. Per quanto strano possa sembrare la meccanica quantistica, continua a corrispondere a tutti i test sperimentali che possiamo escogitare, " dice Kaiser.

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.