Negli anni '30, quando gli scienziati, tra cui Albert Einstein ed Erwin Schrödinger, scoprirono per la prima volta il fenomeno dell'entanglement, rimasero perplessi. L'entanglement, in modo inquietante, richiedeva che due particelle separate rimanessero collegate senza essere in contatto diretto. Einstein definì notoriamente l'entanglement "azione spettrale a distanza", poiché le particelle sembravano comunicare più velocemente della velocità della luce.

Per spiegare le bizzarre implicazioni dell'entanglement, Einstein, insieme a Boris Podolsky e Nathan Rosen (EPR), ha sostenuto che "variabili nascoste" dovrebbero essere aggiunte alla meccanica quantistica per spiegare l'entanglement e per ripristinare la "località" e la "causalità" al comportamento delle particelle. La località afferma che gli oggetti sono influenzati solo dall'ambiente circostante. La causalità afferma che un effetto non può verificarsi prima della sua causa e che la segnalazione causale non può propagarsi più velocemente della velocità della luce. Niels Bohr ha contestato notoriamente l'argomento dell'EPR, mentre Schrödinger e Wendell Furry, in risposta all'EPR, hanno ipotizzato in modo indipendente che l'entanglement svanisse con la separazione di particelle larghe.

Sfortunatamente, allora non erano disponibili prove sperimentali a favore o contro l'entanglement quantistico di particelle ampiamente separate. Da allora gli esperimenti hanno dimostrato che l'entanglement è molto reale e fondamentale per la natura. Inoltre, è stato ora dimostrato che la meccanica quantistica funziona, non solo a distanze molto brevi ma anche a distanze molto grandi. In effetti, il satellite per comunicazioni con crittografia quantistica della Cina, Micius, si basa sull'entanglement quantistico tra fotoni separati da migliaia di chilometri.

Il primo di questi esperimenti è stato proposto ed eseguito dall'allievo del Caltech John Clauser (BS '64) rispettivamente nel 1969 e nel 1972. Le sue scoperte si basano sul teorema di Bell, ideato dal teorico del CERN John Bell. Nel 1964, Bell dimostrò ironicamente che l'argomento di EPR portava effettivamente alla conclusione opposta a quella che EPR aveva originariamente inteso mostrare. Bell ha mostrato che l'entanglement quantistico è, di fatto, incompatibile con la nozione di località e causalità di EPR.

Nel 1969, mentre era ancora uno studente laureato alla Columbia University, Clauser, insieme a Michael Horne, Abner Shimony e Richard Holt, trasformarono il teorema matematico di Bell del 1964 in una previsione sperimentale molto specifica attraverso quella che ora è chiamata Clauser–Horne–Shimony–Holt (CHSH) disuguaglianza (il loro articolo è stato citato più di 8.500 volte su Google Scholar.) Nel 1972, quando era un ricercatore post-dottorato presso l'UC Berkeley e il Lawrence Berkeley National Laboratory, Clauser e lo studente laureato Stuart Freedman furono i primi a dimostrare sperimentalmente che due particelle ampiamente separate (distanti circa 10 piedi) possono essere aggrovigliate. Clauser ha continuato a eseguire altri tre esperimenti testando le basi della meccanica quantistica e dell'entanglement, con ogni nuovo esperimento che conferma ed estende i suoi risultati. L'esperimento Freedman-Clauser è stato il primo test della disuguaglianza CHSH. Ora è stato testato sperimentalmente centinaia di volte nei laboratori di tutto il mondo per confermare che l'entanglement quantistico è reale.

Il lavoro di Clauser gli è valso il Wolf Prize 2010 in fisica. Lo ha condiviso con Alain Aspect dell'Institut d'Optique e dell'Ecole Polytechnique e Anton Zeilinger dell'Università di Vienna e dell'Accademia austriaca delle scienze "per una serie sempre più sofisticata di test delle disuguaglianze di Bell, o estensioni di esse, utilizzando stati quantistici entangled, " secondo la citazione del premio.

Qui, John Clauser risponde alle domande sui suoi esperimenti storici.

Abbiamo sentito che la tua idea di testare i principi dell'entanglement non è stata allettante per altri fisici. Puoi dirci di più a riguardo?

Negli anni '60 e '70, i test sperimentali della meccanica quantistica erano impopolari a Caltech, Columbia, UC Berkeley e altrove. La mia facoltà alla Columbia mi ha detto che testare la fisica quantistica avrebbe distrutto la mia carriera. Mentre eseguivo l'esperimento Freedman-Clauser del 1972 alla UC Berkeley, Richard Feynman del Caltech fu molto offeso dal mio sforzo impertinente e mi disse che equivaleva a professare un'incredulità nella fisica quantistica. Ha insistito con arroganza sul fatto che la meccanica quantistica è ovviamente corretta e non ha bisogno di ulteriori test! La mia accoglienza alla UC Berkeley è stata nella migliore delle ipotesi tiepida ed è stata possibile solo grazie alla gentilezza e alla tolleranza dei professori Charlie Townes [Ph.D. '39, Premio Nobel '64] e Howard Shugart [BS '53], che mi hanno permesso di continuare i miei esperimenti lì.

Nella mia corrispondenza con John Bell, ha espresso esattamente il sentimento opposto e mi ha fortemente incoraggiato a fare un esperimento. Il lavoro fondamentale di John Bell del 1964 sul teorema di Bell è stato originariamente pubblicato nel numero terminale di un oscuro giornale, Fisica , e in un giornale di fisica clandestino, Lettere epistemologiche . Fu solo dopo che il documento CHSH del 1969 e i risultati di Freedman-Clauser del 1972 furono pubblicati nelle Lettere di revisione fisica che John Bell ha finalmente discusso apertamente del suo lavoro. Era consapevole del tabù di mettere in discussione i fondamenti della meccanica quantistica e non ne aveva mai discusso con i suoi collaboratori del CERN.

Cosa ti ha fatto desiderare comunque di portare a termine gli esperimenti?

Parte del motivo per cui volevo testare le idee era perché stavo ancora cercando di capirle. Ho trovato le previsioni per l'entanglement sufficientemente bizzarre da non poterle accettare senza vedere prove sperimentali. Ho anche riconosciuto l'importanza fondamentale degli esperimenti e ho semplicemente ignorato i consigli sulla carriera della mia facoltà. Inoltre, mi stavo divertendo molto a fare fisica sperimentale molto impegnativa con apparati che costruivo principalmente usando gli avanzi del dipartimento di fisica. Prima che io e Stu Freedman facessimo il primo esperimento, pensavo anche personalmente che la fisica delle variabili nascoste di Einstein potesse effettivamente essere corretta, e se lo è, allora volevo scoprirla. Ho trovato le idee di Einstein molto chiare. Ho trovato Bohr piuttosto confuso e difficile da capire.

Cosa ti aspettavi di trovare quando hai fatto gli esperimenti?

In verità, non sapevo davvero cosa aspettarmi se non che avrei finalmente determinato chi avesse ragione:Bohr o Einstein. Devo ammettere che stavo scommettendo a favore di Einstein ma in realtà non sapevo chi avrebbe vinto. È come andare in pista. Potresti sperare che un certo cavallo vinca, ma non lo sai fino a quando non ci saranno i risultati. In questo caso, si è scoperto che Einstein si sbagliava. Nella tradizione di Richard Feynman e Kip Thorne [BS '62] del Caltech, che avrebbero piazzato scommesse scientifiche, ho scommesso con il fisico quantistico Yakir Aharonov sul risultato dell'esperimento Freedman-Clauser. Curiosamente, ha messo solo un dollaro sui miei due. Ho perso la scommessa e ho allegato una banconota da due dollari e congratulazioni quando gli ho inviato una prestampa con i nostri risultati.

Sono stato molto triste nel vedere che il mio esperimento aveva smentito Einstein. Ma l'esperimento ha dato un risultato di 6,3 sigma contro di lui [un risultato di cinque sigma o superiore è considerato il gold standard per la significatività in fisica]. Ma poi l'esperimento concorrente di Dick Holt e Frank Pipkin ad Harvard (mai pubblicato) ha ottenuto il risultato opposto. Mi chiesi se forse avevo trascurato qualche dettaglio importante. Sono andato da solo alla UC Berkeley per eseguire altri tre test sperimentali di meccanica quantistica. Tutti hanno prodotto le stesse conclusioni. Bohr aveva ragione ed Einstein aveva torto. Il risultato di Harvard non si è ripetuto ed è stato difettoso. Quando mi sono riconnesso con la mia facoltà della Columbia, tutti hanno detto:"Te l'avevamo detto! Ora smettila di sprecare soldi e vai a fare un po' di vera fisica". A quel punto della mia carriera, l'unico valore del mio lavoro era che dimostrava di essere un fisico sperimentale di ragionevole talento. Questo fatto da solo mi ha procurato un lavoro presso il Lawrence Livermore National Lab facendo ricerche sulla fisica del plasma a fusione controllata.

Puoi aiutarci a capire esattamente cosa hanno mostrato i tuoi esperimenti?

Per chiarire cosa hanno mostrato gli esperimenti, Mike Horne ed io abbiamo formulato quello che oggi è noto come Clauser-Horne Local Realism [1974]. Ulteriori contributi ad esso furono successivamente offerti da John Bell e Abner Shimony, quindi forse è più propriamente chiamato Bell–Clauser–Horne–Shimony Local Realism. Il realismo locale ebbe vita molto breve come teoria praticabile. In effetti, è stato confutato sperimentalmente anche prima che fosse completamente formulato. Tuttavia, il realismo locale è euristicamente importante perché mostra in dettaglio cosa non è la meccanica quantistica.

Il realismo locale presuppone che la natura sia costituita da cose, da oggetti oggettivamente reali, i. e., roba che puoi mettere dentro una scatola. (Un riquadro qui è una superficie chiusa immaginaria che definisce volumi interni ed esterni separati.) Inoltre presuppone che gli oggetti esistano indipendentemente dal fatto che li osserviamo o meno. Allo stesso modo, si presume che si ottengano risultati sperimentali definiti, indipendentemente dal fatto che li guardiamo o meno. Potremmo non sapere di cosa si tratta, ma assumiamo che esista e che sia distribuito nello spazio. Le cose possono evolvere deterministicamente o stocasticamente. Il realismo locale presuppone che la roba all'interno di una scatola abbia proprietà intrinseche e che quando qualcuno esegue un esperimento all'interno della scatola, la probabilità che qualsiasi risultato ottenga sia in qualche modo influenzata dalle proprietà della roba all'interno di quella scatola. Se si esegue, ad esempio, un esperimento diverso con parametri sperimentali diversi, presumibilmente si ottiene un risultato diverso. Supponiamo ora che uno abbia due scatole ampiamente separate, ciascuna contenente roba. Il realismo locale presuppone inoltre che la scelta del parametro sperimentale effettuata in un riquadro non possa influenzare il risultato sperimentale nel riquadro distante. Il realismo locale proibisce quindi l'azione spettrale a distanza. Rafforza la causalità di Einstein che proibisce qualsiasi causa ed effetto non locale. Sorprendentemente, queste semplici e molto ragionevoli ipotesi sono sufficienti da sole per consentire la derivazione di una seconda importante previsione sperimentale limitando la correlazione tra i risultati sperimentali ottenuti nei riquadri separati. Questa previsione è la disuguaglianza di Clauser-Horne (CH) del 1974.

La derivazione della disuguaglianza CHSH del 1969 aveva richiesto diverse ipotesi supplementari minori, a volte chiamate "scappatoie". La derivazione della disuguaglianza CH elimina queste ipotesi supplementari ed è quindi più generale. Esistono sistemi Quantum entangled che non sono d'accordo con la previsione CH, per cui il Realismo Locale è suscettibile di confutazione sperimentale. Le disuguaglianze CHSH e CH sono entrambe violate, non solo dal primo esperimento Freedman-Clauser del 1972 e dal mio secondo esperimento del 1976, ma ora letteralmente da centinaia di esperimenti indipendenti di conferma. Vari laboratori hanno ora impigliato e violato la disuguaglianza CHSH con coppie di fotoni, coppie di ioni berillio, coppie di ioni di itterbio, coppie di atomi di rubidio, coppie intere di nubi di rubidio, posti liberi di azoto nei diamanti e qubit di fase Josephson.

Testare il realismo locale e la disuguaglianza CH è stato considerato da molti ricercatori importante per eliminare le scappatoie CHSH. È stato quindi organizzato uno sforzo considerevole, poiché la tecnologia dell'ottica quantistica è migliorata e consentita. Testare la disuguaglianza CH era diventata una sfida del Santo Graal per gli sperimentatori. La violazione della disuguaglianza CH è stata finalmente raggiunta prima nel 2013 e di nuovo nel 2015 in due laboratori concorrenti:il gruppo di Anton Zeilinger all'Università di Vienna e il gruppo di Paul Kwiat all'Università dell'Illinois a Urbana–Champaign. Gli esperimenti del 2015 hanno coinvolto 56 ricercatori! Il realismo locale è ora sonoramente confutato! L'accordo tra gli esperimenti e la meccanica quantistica ora dimostra fermamente che l'entanglement quantistico non locale è reale.

Quali sono alcune delle applicazioni tecnologiche importanti del tuo lavoro?

Un'applicazione del mio lavoro riguarda l'oggetto più semplice possibile definito dal Realismo Locale:un singolo bit di informazione. Il realismo locale mostra che un singolo bit di informazione quantomeccanico, un "qubit", non può sempre essere localizzato in una scatola spazio-temporale. Questo fatto fornisce le basi fondamentali della teoria dell'informazione quantistica e della crittografia quantistica. Il programma di scienza e tecnologia quantistica di Caltech, la National Quantum Initiative statunitense del 2019 da 1,28 miliardi di dollari e la National Quantum Initiative israeliana del 2019 da 400 milioni di dollari si basano tutti sulla realtà dell'entanglement. La configurazione del sistema satellitare per comunicazioni con crittografia quantistica cinese Micius è quasi identica a quella dell'esperimento Freedman-Clauser. Utilizza la disuguaglianza CHSH per verificare la persistenza dell'entanglement attraverso lo spazio esterno. + Esplora ulteriormente

I ricercatori hanno dimostrato la violazione della disuguaglianza di Bell sulle coppie di fotoni entangled a bin di frequenza