Perché la meccanica quantistica funziona così bene per gli oggetti microscopici, eppure gli oggetti macroscopici sono descritti dalla fisica classica? Questa domanda ha infastidito i fisici dallo sviluppo della teoria quantistica più di 100 anni fa. I ricercatori della Delft University of Technology e dell'Università di Vienna hanno ora ideato un sistema macroscopico che mostra l'entanglement tra fononi meccanici e fotoni ottici. Hanno testato l'entanglement usando un test di Bell, uno dei test più convincenti e importanti per dimostrare che un sistema si comporta in modo non classico.

Fin dal suo inizio più di 100 anni fa, i fisici si resero conto che la teoria quantistica poteva essere in conflitto con alcuni degli assiomi fondamentali della fisica classica. In particolare, i principi in questione sono se le informazioni possono essere scambiate più velocemente della velocità della luce (chiamata "località"), e se le quantità fisiche esistono indipendentemente dal fatto che siano osservate o meno (chiamato "realismo"). Albert Einstein una volta chiese ad Abraham Pais, il suo biografo, se pensava davvero che la luna esistesse solo quando la guardava.

Un acceso dibattito tra Einstein e Niels Bohr su questo conflitto di assiomi negli anni '30 ha dato il via a decenni di ricerche sulle correlazioni tra i sistemi quantistici. Questo fenomeno, chiamato entanglement quantistico, rapidamente cristallizzato come una delle predizioni chiave della meccanica quantistica. Il lavoro di John Bell negli anni '60 ha aperto una strada per testare sperimentalmente questi principi, che ha aggiunto nuovi ed entusiasmanti risultati al dibattito. La maggior parte degli esperimenti quantistici eseguiti fino ad oggi, però, trattare con una o un numero relativamente piccolo di particelle.

Correlazioni quantistiche

Un team di scienziati guidato dal prof. Simon Gröblacher della Delft University of Technology è ora entrato in una scala completamente nuova di misurazioni quantistiche. Hanno creato un dispositivo che ha prodotto correlazioni tra il movimento vibrazionale degli oscillatori optomeccanici al silicio, composto da circa 10 miliardi di atomi, e modalità ottiche. I dispositivi sono stati raffreddati al loro stato fondamentale di movimento all'interno di un frigorifero di diluizione e quindi sono stati sondati con impulsi laser. Frequenze laser specifiche sono in grado di interagire con i dispositivi, eccitando il movimento in modo controllato o leggendo il suo stato. Ogni volta che questo accade, sorgono correlazioni tra la luce diffusa ei dispositivi che consentono di prevedere perfettamente il comportamento di uno di essi da parte dell'altro.

Per verificare se le correlazioni nel loro sistema fossero, infatti, meccanica quantistica al lavoro, e non la fisica classica, hanno eseguito un test di Bell. Alle due particelle è stata essenzialmente presentata una scelta:l'esperimento è stato concepito in modo tale che ciascuna di esse potesse essere registrata in uno dei due rivelatori. Entrambi i risultati erano ugualmente probabili in base alla progettazione, che ha reso impossibile prevedere il risultato per fotoni o fononi individualmente. Però, a causa delle correlazioni tra i due, i fononi potrebbero essere fatti in modo che diano sempre un corrispondente risultato di misura ai fotoni. In circa l'80% dei casi, sono stati trovati a comportarsi in quel modo, che è ben al di sopra della classica soglia di Bell di circa il 70 percento.

test approfondito

Il vero test di Bell è stato quello di modificare alcuni parametri sperimentali che influenzano le due particelle in modi diversi e vedere quando questa dipendenza si interrompe. Meccanicamente quantistica, i due possono mantenere risultati di misurazione correlati per molto più tempo di quanto è classicamente consentito. "Questo è il test più approfondito di un dispositivo massiccio che si comporta meccanicamente in modo quantistico mai eseguito, " ha detto il prof. Gröblacher.

Questi risultati implicano che la meccanica quantistica si estende fino al dominio macroscopico. Inoltre, il dispositivo fabbricato dai ricercatori può essere ampliato e migliorato. Gröblacher:"Poiché il nostro protocollo sperimentale è indipendente dalle dimensioni dell'oscillatore, questi risultati gettano le basi per la possibilità di sondare il confine tra fisica classica e quantistica con oggetti arbitrariamente grandi, anche quelli visibili ad occhio nudo."