Testa o croce? Se lanciamo due monete in aria, il risultato di un lancio di moneta non ha nulla a che fare con il risultato dell'altro. Le monete sono oggetti indipendenti. Nel mondo della fisica quantistica, le cose sono diverse:le particelle quantistiche possono essere entangled, nel qual caso non possono più essere considerati come oggetti individuali indipendenti, possono essere descritti solo come un sistema congiunto.

Per anni, è stato possibile produrre fotoni entangled, coppie di particelle di luce che si muovono in direzioni completamente diverse ma si appartengono ancora. Sono stati raggiunti risultati spettacolari, per esempio nel campo del teletrasporto quantistico o della crittografia quantistica. Ora, un nuovo metodo è stato sviluppato alla TU Wien (Vienna) per produrre coppie di atomi entangled, e non solo atomi che vengono emessi in tutte le direzioni, ma travi ben definite. Ciò è stato ottenuto con l'aiuto di nubi atomiche ultrafredde in trappole elettromagnetiche.

Particelle impigliate

"L'entanglement quantistico è uno degli elementi essenziali della fisica quantistica, " afferma il prof. Jörg Schmiedmayer dell'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien. "Se le particelle sono intrecciate tra loro, quindi anche se sai tutto quello che c'è da sapere sul sistema totale, non puoi ancora dire nulla su una particella specifica. Chiedere lo stato di una particolare particella non ha senso, viene definito solo lo stato complessivo del sistema totale."

Esistono diversi metodi per creare l'entanglement quantistico. Per esempio, cristalli speciali possono essere usati per creare coppie di fotoni entangled:un fotone ad alta energia viene convertito dal cristallo in due fotoni a energia inferiore, questa è chiamata "conversione verso il basso". Ciò consente di produrre rapidamente e facilmente un gran numero di coppie di fotoni entangled.

Atomi impiglianti, però, è molto più difficile. I singoli atomi possono essere impigliati utilizzando complicate operazioni laser, ma in tal caso si ottiene solo una singola coppia di atomi. I processi casuali possono essere utilizzati anche per creare entanglement quantistico:se due particelle interagiscono tra loro in modo opportuno, possono risultare impigliati in seguito. Le molecole possono essere frantumate, creando frammenti aggrovigliati. Ma questi metodi non possono essere controllati. "In questo caso, le particelle si muovono in direzioni casuali. Ma quando fai esperimenti, vuoi essere in grado di determinare esattamente dove si muovono gli atomi, " dice Jörg Schmiedmayer.

La coppia gemella

Le coppie gemelle controllate potrebbero ora essere prodotte alla TU Wien con un nuovo trucco:una nuvola di atomi ultrafreddi viene creata e tenuta in posizione da forze elettromagnetiche su un minuscolo chip. "Manipoliamo questi atomi in modo che non finiscano nello stato con la più bassa energia possibile, ma in uno stato di maggiore energia, " dice Schmiedmayer. Da questo stato eccitato, gli atomi poi ritornano spontaneamente allo stato fondamentale con l'energia più bassa.

Però, la trappola elettromagnetica è costruita in modo tale che questo ritorno allo stato fondamentale sia fisicamente impossibile per un singolo atomo:ciò violerebbe la conservazione della quantità di moto. Gli atomi possono quindi essere trasferiti allo stato fondamentale solo come coppie e volare via in direzioni opposte, in modo che la loro quantità di moto totale rimanga zero. Questo crea atomi gemelli che si muovono esattamente nella direzione specificata dalla geometria della trappola elettromagnetica sul chip.

L'esperimento della doppia fenditura

La trappola è composta da due allungate, guide d'onda parallele. La coppia di atomi gemelli potrebbe essere stata creata nella guida d'onda sinistra o destra o, come permette la fisica quantistica, in entrambi contemporaneamente. "È come il noto esperimento della doppia fenditura, dove spari una particella contro un muro con due fessure, " dice Jörg Schmiedmayer. "La particella può passare contemporaneamente attraverso la fenditura sinistra e destra, dietro cui interferisce con se stesso, e questo crea modelli d'onda che possono essere misurati."

Lo stesso principio può essere usato per dimostrare che gli atomi gemelli sono effettivamente particelle entangled:solo se si misura l'intero sistema, cioè, entrambi gli atomi allo stesso tempo:è possibile rilevare le sovrapposizioni ondulatorie tipiche dei fenomeni quantistici. Se, d'altra parte, ti limiti a una singola particella, la sovrapposizione dell'onda scompare completamente.

"Questo ci mostra che in questo caso non ha senso guardare le particelle individualmente, " spiega Jörg Schmiedmayer. "Nell'esperimento della doppia fenditura, le sovrapposizioni scompaiono non appena si misura se la particella passa per la fenditura sinistra o destra. Non appena queste informazioni saranno disponibili, la sovrapposizione quantistica è distrutta. È molto simile qui:se gli atomi sono entangled e ne misuri solo uno, in teoria potresti ancora usare l'altro atomo per misurare se entrambi hanno avuto origine nella parte sinistra o destra della trappola. Perciò, le sovrapposizioni quantistiche vengono distrutte."

Ora che è stato dimostrato che le nuvole atomiche ultrafredde possono effettivamente essere utilizzate per produrre in modo affidabile atomi gemelli entangled in questo modo, ulteriori esperimenti quantistici devono essere condotti con queste coppie di atomi, simili a quelli che sono già stati possibili con le coppie di fotoni.