Il Premio Nobel 2022 per la fisica ha riconosciuto tre scienziati che hanno dato un contributo rivoluzionario nella comprensione di uno dei fenomeni naturali più misteriosi:l'entanglement quantistico.

Nei termini più semplici, entanglement quantistico significa che gli aspetti di una particella di una coppia entangled dipendono dagli aspetti dell'altra particella, non importa quanto siano distanti o cosa ci sia tra di loro. Queste particelle potrebbero essere, ad esempio, elettroni o fotoni e un aspetto potrebbe essere lo stato in cui si trovano, ad esempio se sta "ruotando" in una direzione o nell'altra.

La parte strana dell'entanglement quantistico è che quando si misura qualcosa su una particella in una coppia entangled, si sa immediatamente qualcosa sull'altra particella, anche se sono distanti tra loro milioni di anni luce. Questa strana connessione tra le due particelle è istantanea e sembra violare una legge fondamentale dell'universo. Albert Einstein definì notoriamente il fenomeno "azione spettrale a distanza".

Dopo aver trascorso la maggior parte dei due decenni a condurre esperimenti radicati nella meccanica quantistica, sono arrivato ad accettarne la stranezza. Grazie a strumenti sempre più precisi e affidabili e al lavoro dei vincitori del Nobel di quest'anno, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, i fisici ora integrano i fenomeni quantistici nella loro conoscenza del mondo con un eccezionale grado di certezza.

Tuttavia, anche fino agli anni '70, i ricercatori erano ancora divisi sul fatto che l'entanglement quantistico fosse un fenomeno reale. E per buone ragioni, chi oserebbe contraddire il grande Einstein, che ne dubitava lui stesso? Ci sono voluti lo sviluppo di una nuova tecnologia sperimentale e ricercatori coraggiosi per mettere finalmente a tacere questo mistero.

Esiste in più stati contemporaneamente

Per comprendere veramente la spettralità dell'entanglement quantistico, è importante prima comprendere la sovrapposizione quantistica. La sovrapposizione quantistica è l'idea che le particelle esistano in più stati contemporaneamente. Quando viene eseguita una misurazione, è come se la particella selezionasse uno degli stati nella sovrapposizione.

Ad esempio, molte particelle hanno un attributo chiamato spin che viene misurato come "su" o "giù" per un determinato orientamento dell'analizzatore. Ma finché non misuri lo spin di una particella, esso esiste simultaneamente in una sovrapposizione di spin up e spin down.

Ad ogni stato è associata una probabilità ed è possibile prevedere il risultato medio da molte misurazioni. La probabilità che una singola misurazione sia al rialzo o al ribasso dipende da queste probabilità, ma è essa stessa imprevedibile.

Anche se molto strano, la matematica e un vasto numero di esperimenti hanno dimostrato che la meccanica quantistica descrive correttamente la realtà fisica.

Due particelle aggrovigliate

La spettralità dell'entanglement quantistico emerge dalla realtà della sovrapposizione quantistica ed era chiara ai padri fondatori della meccanica quantistica che svilupparono la teoria negli anni '20 e '30.

Per creare particelle aggrovigliate essenzialmente rompi un sistema in due, dove la somma delle parti è nota. Ad esempio, puoi dividere una particella con spin pari a zero in due particelle che avranno necessariamente spin opposti in modo che la loro somma sia zero.

Nel 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen pubblicarono un articolo che descrive un esperimento mentale progettato per illustrare un'apparente assurdità dell'entanglement quantistico che sfidava una legge fondamentale dell'universo.

Una versione semplificata di questo esperimento mentale, attribuita a David Bohm, considera il decadimento di una particella chiamata mesone pi. Quando questa particella decade, produce un elettrone e un positrone che hanno spin opposto e si allontanano l'uno dall'altro. Pertanto, se si misura lo spin dell'elettrone in alto, lo spin misurato del positrone potrebbe essere solo in basso e viceversa. Questo è vero anche se le particelle sono distanti miliardi di miglia.

Questo andrebbe bene se la misura dello spin dell'elettrone fosse sempre alta e lo spin misurato del positrone fosse sempre basso. Ma a causa della meccanica quantistica, lo spin di ogni particella è sia in parte in alto che in parte in basso finché non viene misurato. Solo quando si verifica la misurazione lo stato quantistico dello spin "collassa" in alto o in basso, facendo collassare istantaneamente l'altra particella nello spin opposto. Ciò sembra suggerire che le particelle comunichino tra loro attraverso alcuni mezzi che si muovono più velocemente della velocità della luce. Ma secondo le leggi della fisica, niente può viaggiare più veloce della velocità della luce. Sicuramente lo stato misurato di una particella non può determinare istantaneamente lo stato di un'altra particella all'estremità dell'universo?

I fisici, incluso Einstein, hanno proposto una serie di interpretazioni alternative dell'entanglement quantistico negli anni '30. Hanno teorizzato che esistesse una proprietà sconosciuta, soprannominata variabili nascoste, che determinava lo stato di una particella prima della misurazione. Ma all'epoca i fisici non disponevano della tecnologia né della definizione di una misura chiara che potesse verificare se la teoria quantistica doveva essere modificata per includere variabili nascoste.

Confutare una teoria

Ci sono voluti fino agli anni '60 prima che ci fossero indizi per una risposta. John Bell, un brillante fisico irlandese che non visse abbastanza per ricevere il premio Nobel, escogitò uno schema per verificare se la nozione di variabili nascoste avesse un senso.

Bell ha prodotto un'equazione ora nota come disuguaglianza di Bell che è sempre corretta - e corretta solo - per le teorie delle variabili nascoste e non sempre per la meccanica quantistica. Pertanto, se l'equazione di Bell è risultata non soddisfatta in un esperimento nel mondo reale, le teorie delle variabili nascoste locali possono essere escluse come spiegazione dell'entanglement quantistico.

Gli esperimenti dei premi Nobel del 2022, in particolare quelli di Alain Aspect, sono stati i primi test della disuguaglianza di Bell. Gli esperimenti hanno utilizzato fotoni entangled, piuttosto che coppie di un elettrone e un positrone, come in molti esperimenti mentali. I risultati hanno definitivamente escluso l'esistenza di variabili nascoste, un attributo misterioso che predeterminerebbe gli stati delle particelle entangled. Collettivamente, questi e molti esperimenti successivi hanno rivendicato la meccanica quantistica. Gli oggetti possono essere correlati su grandi distanze in modi che la fisica prima della meccanica quantistica non può spiegare.

È importante sottolineare che non vi è alcun conflitto con la relatività speciale, che vieta la comunicazione più veloce della luce. Il fatto che le misurazioni su grandi distanze siano correlate non implica che le informazioni vengano trasmesse tra le particelle. Two parties far apart performing measurements on entangled particles cannot use the phenomenon to pass along information faster than the speed of light.

Today, physicists continue to research quantum entanglement and investigate potential practical applications. Although quantum mechanics can predict the probability of a measurement with incredible accuracy, many researchers remain skeptical that it provides a complete description of reality. One thing is certain, though. Much remains to be said about the mysterious world of quantum mechanics.