Cos'è l'interazione, e quando si verifica? L'intuizione suggerisce che la condizione necessaria per l'interazione di particelle create indipendentemente è il loro contatto diretto o contatto attraverso i portatori di forza fisica. Nella meccanica quantistica, il risultato dell'interazione è l'entanglement:la comparsa di correlazioni non classiche nel sistema. Sembra che la teoria quantistica permetta l'entanglement di particelle indipendenti senza alcun contatto. L'identità fondamentale di particelle dello stesso tipo è responsabile di questo fenomeno.

La meccanica quantistica è attualmente la teoria migliore e più accurata utilizzata dai fisici per descrivere il mondo che ci circonda. La sua caratteristica, però, è il linguaggio matematico astratto della meccanica quantistica, porta notoriamente a seri problemi interpretativi. La visione della realtà proposta da questa teoria è ancora oggetto di disputa scientifica che, col tempo, sta solo diventando più caldo e più interessante. Nuove motivazioni per la ricerca e domande intriganti sono portate avanti da una nuova prospettiva derivante dal punto di vista dell'informazione quantistica e dall'enorme progresso delle tecniche sperimentali. Questi consentono la verifica delle conclusioni tratte da sottili esperimenti mentali direttamente collegati al problema dell'interpretazione. Inoltre, i ricercatori stanno facendo enormi progressi nel campo della comunicazione quantistica e della tecnologia dei computer quantistici, che attinge significativamente alle risorse non classiche offerte dalla meccanica quantistica.

Pawel Blasiak dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia e Marcin Markiewicz dell'Università di Danzica si concentrano sull'analisi di paradigmi e concetti teorici ampiamente accettati riguardanti le basi e l'interpretazione della meccanica quantistica. I ricercatori stanno cercando di determinare fino a che punto le intuizioni utilizzate per descrivere i processi quantistici sono giustificate in una visione realistica del mondo. Per questo scopo, cercano di chiarire idee teoriche specifiche, spesso funzionanti sotto forma di vaghe intuizioni, utilizzando il linguaggio della matematica. Questo approccio si traduce spesso nella comparsa di paradossi stimolanti. Certo, quanto più elementare è il concetto a cui si riferisce un dato paradosso, meglio è, perché apre nuove porte a una comprensione più profonda di un determinato problema.

In questo spirito, entrambi gli scienziati hanno considerato la domanda fondamentale:cos'è l'interazione, e quando si verifica? Nella meccanica quantistica, il risultato dell'interazione è l'entanglement, che è la comparsa di correlazioni non classiche nel sistema. Immagina due particelle create indipendentemente in galassie lontane. Sembrerebbe che una condizione necessaria per l'emergere dell'entanglement sia il requisito che ad un certo punto della loro evoluzione, le particelle si toccano, o almeno quel contatto indiretto dovrebbe avvenire attraverso un'altra particella o campo fisico per trasmettere l'interazione. In quale altro modo possono stabilire il misterioso legame dell'entanglement quantistico? Paradossalmente, però, si scopre che questo è possibile. La meccanica quantistica consente il verificarsi dell'entanglement senza la necessità di alcun contatto, anche indiretto.

Per giustificare una conclusione così sorprendente è necessario uno schema in cui le particelle mostrano correlazioni non locali a distanza (in un esperimento di tipo Bell). La sottigliezza di questo approccio sta nell'escludere la possibilità di un'interazione intesa come una qualche forma di contatto lungo il percorso. Tale schema dovrebbe anche essere economico, quindi deve escludere la presenza di portatori di forza che potrebbero mediare questa interazione, compreso un campo fisico o particelle intermedie. Blasiak e Markiewicz hanno mostrato come ciò si possa fare partendo dalle considerazioni originarie di Yurke e Stoler, che hanno reinterpretato come una permutazione di percorsi percorsi dalle particelle provenienti da fonti diverse. Questa nuova prospettiva consente la generazione di qualsiasi stato entangled di due e tre particelle, evitando ogni contatto. L'approccio proposto può essere facilmente esteso a più particelle.

Come è possibile entanglement particelle indipendenti a distanza senza la loro interazione? Un suggerimento è suggerito dalla stessa meccanica quantistica, in cui si postula l'identità, la fondamentale indistinguibilità di tutte le particelle dello stesso tipo. Questo significa, Per esempio, che tutti i fotoni (così come le altre famiglie di particelle elementari) nell'intero universo sono gli stessi, indipendentemente dalla loro distanza. Dal punto di vista formale, questo si riduce alla simmetrizzazione della funzione d'onda per i bosoni o alla sua antisimmetrizzazione per i fermioni.

Gli effetti dell'identità delle particelle sono solitamente associati alle loro statistiche che hanno conseguenze per la descrizione di sistemi multiparticelle interagenti (come i condensati di Bose-Einstein o la teoria delle bande allo stato solido). Nel caso di sistemi più semplici, il risultato diretto dell'identità delle particelle è il principio di esclusione di Pauli per i fermioni o il raggruppamento in ottica quantistica per i bosoni. La caratteristica comune di tutti questi effetti è il contatto di particelle in un punto nello spazio, che segue la semplice intuizione di interazione (ad esempio, nella teoria delle particelle, questo si riduce ai vertici di interazione). Da qui la convinzione che le conseguenze della simmetrizzazione possano essere osservate solo in questo modo. Però, l'interazione per sua stessa natura provoca entanglement. Perciò, non è chiaro cosa causi gli effetti osservati e le correlazioni non classiche:è un'interazione in sé, o è l'indistinguibilità intrinseca delle particelle? Lo schema proposto dagli scienziati aggira questa difficoltà, eliminando l'interazione che potrebbe verificarsi attraverso qualsiasi contatto. Quindi, la conclusione che le correlazioni non classiche sono una diretta conseguenza del postulato dell'identità particellare. Ne consegue che esiste un modo per attivare puramente l'entanglement dalla loro fondamentale indistinguibilità.

Questo tipo di vista, partendo da domande sui fondamenti della meccanica quantistica, può essere praticamente applicato per generare stati entangled per le tecnologie quantistiche. L'articolo mostra come creare qualsiasi stato entangled di due e tre qubit, e queste idee sono già implementate sperimentalmente. Sembra che gli schemi considerati possano essere estesi con successo per creare stati a molte particelle entangled. Come parte di ulteriori ricerche, gli scienziati intendono analizzare in dettaglio il postulato di particelle identiche, sia dal punto di vista dell'interpretazione teorica che delle applicazioni pratiche.

Sorprendentemente, il postulato dell'indistinguibilità delle particelle non è solo un procedimento matematico formale, ma nella sua forma pura, porta alle conseguenze osservate nei laboratori. La non località è inerente a tutte le particelle identiche nell'universo? Il fotone emesso dallo schermo del monitor e il fotone della galassia lontana nelle profondità dell'universo sembrano essere intrappolati solo dalla loro natura identica. Questo è un grande mistero che la scienza dovrà presto affrontare.