I fisici teorici del Trinity College di Dublino hanno trovato un profondo legame tra una delle caratteristiche più sorprendenti della meccanica quantistica - l'entanglement quantistico - e la termalizzazione, che è il processo in cui qualcosa entra in equilibrio termico con l'ambiente circostante.

I loro risultati sono pubblicati oggi [venerdì 31 gennaio 2020] sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica .

Conosciamo tutti la termalizzazione:basti pensare a come il caffè raggiunge la temperatura ambiente nel tempo. L'entanglement quantistico, d'altra parte, è una storia diversa.

Eppure il lavoro svolto da Marlon Brenes, dottorato di ricerca Candidato, e il professor John Goold del Trinity, in collaborazione con Silvia Pappalardi e il Professor Alessandro Silva alla SISSA in Italia, mostra come i due siano indissolubilmente legati.

Spiegando l'importanza della scoperta, Professor Gold, leader del gruppo QuSys di Trinity, spiega:

"L'entanglement quantistico è una caratteristica controintuitiva della meccanica quantistica, che consente alle particelle che hanno interagito tra loro in un determinato momento di essere correlate in un modo che non è possibile classicamente. Le misurazioni su una particella influenzano i risultati delle misurazioni sull'altra, anche se sono distanti anni luce. Einstein chiamò questo effetto "azione spettrale a distanza".

"Si scopre che l'entanglement non è solo inquietante ma in realtà onnipresente e in effetti ciò che è ancora più sorprendente è che viviamo in un'epoca in cui la tecnologia sta iniziando a sfruttare questa caratteristica per eseguire imprese che si pensava fossero impossibili solo per un certo numero di anni vai. Queste tecnologie quantistiche vengono sviluppate rapidamente nel settore privato con aziende come Google e IBM in testa alla corsa".

Ma cosa c'entra tutto questo con il caffè freddo?

Il professor Goold elabora:"Quando prepari una tazza di caffè e la lasci per un po', si raffredderà fino a raggiungere la temperatura dell'ambiente circostante. Questa è termalizzazione. In fisica diciamo che il processo è irreversibile, come sappiamo, il nostro caffè una volta caldo non si raffredderà e poi magicamente si riscalderà. Il modo in cui l'irreversibilità e il comportamento termico emergono nei sistemi fisici è qualcosa che mi affascina come scienziato poiché si applica su scale piccole come gli atomi, alle tazze di caffè, e anche all'evoluzione dell'universo stesso. In fisica, la meccanica statistica è la teoria che mira a comprendere questo processo da una prospettiva microscopica. Per i sistemi quantistici l'emergere della termalizzazione è notoriamente complicato ed è al centro di questa ricerca attuale".

Quindi cosa c'entra tutto questo con l'entanglement e cosa dicono i tuoi risultati?

"Nella meccanica statistica ci sono vari modi diversi, conosciuti come ensemble, in cui puoi descrivere come termalizzare un sistema, si ritiene che tutti siano equivalenti quando si dispone di un sistema di grandi dimensioni (approssimativamente su scale di 10^23 atomi). Però, ciò che mostriamo nel nostro lavoro è che non solo è presente entanglement nel processo, ma la sua struttura è molto diversa a seconda del modo in cui scegli di descrivere il tuo sistema. Così, ci dà un modo per testare le domande fondamentali nella meccanica statistica. L'idea è generale e può essere applicata a una gamma di sistemi piccoli come pochi atomi e grandi come buchi neri".

Marlon Brenes, dottorato di ricerca candidato al Trinity e primo autore del paper, utilizzato super-computer per simulare sistemi quantistici per testare l'idea.

Breni, uno specialista numerico, ha dichiarato:"Le simulazioni numeriche per questo progetto che ho eseguito sono al limite di quanto attualmente si può fare a livello di calcolo ad alte prestazioni. Per eseguire il codice ho utilizzato la struttura nazionale, ICHEC, e la nuova macchina Kay lì. Così, oltre ad essere un bel risultato fondamentale, il lavoro ci ha aiutato a spingere davvero i confini di questo tipo di approccio computazionale e stabilire che i nostri codici e l'architettura nazionale sono all'avanguardia."