L’entanglement e la radioestesia

L’entanglement e la radioestesia

di Paolo Manzelli

L’ ENTANGLEMET (Intrigo Fotonico ) . 

È stato Albert Einstein ( nel 1915) a definire il fenomeno quantistico meccanico dell’Entanglement  ( o correlazione quantica simultanea) , come una “Azione Fantasma a Distanza” non misurabile nel quadro della concezione delle  interazioni fisiche che avvengono “Localmente” come quelle che avvengono per  contatto nel moto causato dallo scontro tra le palle di un biliardo. 

Nonostante la avversita- di Einstein nel 1981 il fisico Alain Aspect  dimostro che la sovrapposizione di “quanti” di luce”, ( Fotoni  i quali  hanno la doppia natura di particelle e di onde ) produce una …

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I vincitori del Nobel per la Fisica 2022

Il Nobel per la Fisica 2022 va a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger “per i loro esperimenti con l’entanglement dei fotoni, che hanno permesso di stabilire la violazione delle diseguaglianze di Bell e per i lavori pionieristici nel campo della scienza dell’informazione quantistica”. Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger hanno condotto esperimenti rivoluzionari usando stati di entanglement quantistico, in cui due particelle si comportano come un’unità singola anche quando sono separate. I risultati dei loro studi hanno aperto la strada a una nuova tecnologia basata sull’informazione quantistica.

Comunicazione a distanza. I tre scienziati premiati hanno dimostrato che è possibile studiare e controllare particelle che si trovano in uno stato di entanglement (“intreccio”): ovvero che sono correlate a distanza, così che quello che succede a una di esse determini quello che accade all’altra, anche se si trovano a grandi distanze.

Quello dell’entanglement, che Einstein chiamava spaventosa azione a distanza, è uno dei fenomeni più dibattuti della meccanica quantistica. Prevede che due particelle distanti ma correlate possano scambiarsi immediatamente, come in un abbraccio, informazioni sul loro stato, in una forma molto particolare di “teletrasporto”.

Sembra un campo di indagini molto teorico e filosofico, ma ha applicazioni squisitamente pratiche, perché ha aperto la strada a potenti e velocissimi computer quantistici, a sistemi di misurazione più precisi e a metodi di crittografia ancora più sicuri.

Informazioni segrete? Per molto tempo i fisici si sono domandati se questa forma immediata di comunicazione tra particelle in entanglement esistesse perché esse sono legate da variabili nascoste, cioè da istruzioni che dicono loro come comportarsi nelle varie fasi di un esperimento. Negli anni ’60, il fisico britannico John Stewart Bell stabilì che, se ci sono variabili nascoste, la correlazione tra i risultati di un gran numero di misurazioni non deve mai superare un determinato valore. Tuttavia la meccanica quantistica prevede che alcuni tipi di esperimenti violino questo principio (disuguaglianza di Bell) e che portino a una correlazione più forte di quella che dovrebbe essere possibile.

Lavoro di… squadra. John Clauser ha lavorato proprio sulle idee di Bell con esperimenti pratici. Ha costruito un sistema che permette ad atomi di calcio di emettere fotoni entangled dopo essere stati illuminati con una speciale luce. Prendendo le varie misurazioni ha visto che supportavano quando predetto dalla meccanica quantistica e che violavano chiaramente la disuguaglianza di Bell, a dimostrazione che la meccanica quantistica non può essere sostituita da una teoria che si basa su variabili nascoste.

Rimanevano alcuni punti da chiarire sui quali ha lavorato, con dimostrazioni ancora più raffinate e condizioni sperimentali pensate per non influenzare i risultati finali, Alain Aspect. Lo scienziato ha sviluppato un nuovo modo di eccitare gli atomi in modo che emettessero fotoni entangled a un ritmo ancora più elevato. Ha cambiato anche vari setup sperimentali, così che il sistema non potesse contenere in anticipo informazioni in grado di influenzare i risultati finali.
Anton Zeilinger ha condotto ulteriori test sulle disuguaglianze di Bell.

Ha creato coppie di fotoni entangled colpendo con un laser uno speciale cristallo, e usato numeri casuali per cambiare i sistemi di misurazione. Ha persino usato segnali da galassie distanti per controllare i filtri e assicurarsi che i segnali non potessero influenzarsi a vicenda. Il suo gruppo di ricerca ha dimostrato un fenomeno chiamato teletrasporto quantistico, che rende possibile trasferire uno stato quantistico da una particella all’altra anche a distanza.

Le coppie di particelle in entanglement si possono paragonare a palle di colori opposti lanciate in opposte direzioni. Quando Bob (nel disegno) ne afferra una e vede che è nera, sa immediatamente che Alice ne ha ricevuta una bianca. Secondo la teoria delle variabili nascoste, le palle contengono informazioni intrinseche che dicono loro quale colore mostrare. Tuttavia per la meccanica quantistica le palle sono grigie finché qualche qualcuno non le guarda, e a quel punto una delle due prende casualmente il colore bianco e l’altra il nero. Grazie agli studi dei vincitori del Nobel sappiamo che la natura si comporta come previsto dalla meccanica quantistica: per mantenere il nostro esempio, le palle sono grigie finché qualcuno non le guarda, e non contengono istruzioni nascoste che ne determinino il colore.
© Nobel Prize

Sapevate che…? Dal 1901 al 2021 sono stati assegnati 115 Nobel per la Fisica a 219 scienziati – anzi, a 2018 perché il fisico statunitense John Bardeen è stato premiato in due occasioni, nel 1956 per il transistor, e nel 1972 per la teoria fondamentale della superconduttività ordinaria. Lawrence Bragg aveva solo 25 anni quando, nel 1915, ricevette il Nobel per la fisica assieme al padre William “per il contributo alle analisi della struttura dei cristalli attraverso i raggi X”: è dunque il vincitore più giovane. Il più anziano è invece Arthur Ashkin, che aveva 96 anni quando nel 2018 ha ricevuto il Nobel per le sue ricerche sulle pinze ottiche e le loro applicazioni. 

Solo quattro donne finora hanno vinto il Nobel per la Fisica. Sono Marie Curie (nel 1903, insieme al marito Pierre e ad Antoine Henri Becquerel, per le ricerche sui fenomeni radioattivi), Maria Goeppert-Mayer (1963, per il modello a guscio del nucleo atomico), Donna Strickland (2018, per le fondamentali ricerche e innovazioni nel campo dell’ottica laser) e Andrea Ghez (2020, per i suoi studi sui buchi neri incluso Sagittarius A*).

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L’entanglement quantistico spiegato da chi lo usa

Il fenomeno che ha vinto il premio Nobel per la fisica quest’anno – l’entanglement – è certamente oscuro e misterioso ai più. Ma è anche al cuore di quella branca della fisica nota come “meccanica quantistica”, che descrive il mondo microscopico e che desta molto interesse per le applicazioni, a partire dalla crittografia e dai computer “quantistici”, appunto, come spiegato nel numero di Focus attualmente in edicola. Ne parliamo con Simone Severini, responsabile delle tecnologie quantistiche di Amazon Web Services (Aws) a Seattle, negli Stati Uniti, e autore del libro Nella terra dei qubit (Trèfoglie) in uscita il 16 dicembre.
Che cos’è l’entanglement? Prima di tutto, va detto che definire l’entanglement senza il linguaggio della matematica è difficile. Questa è la bellezza della matematica: a volte con due righe si è in grado di spiegare concetti complessi che il linguaggio parlato fa fatica a descrivere.

L’entanglement va oggi interpretato come una quantità fisica, come può essere il tempo o l’energia. Va interpretato come una risorsa che può essere utile in applicazioni pratiche. Quando parliamo di entanglement quantistico, mi piace utilizzare il sinonimo “correlazione quantistica”. L’entanglement è infatti una correlazione più forte di qualsiasi correlazione classica (cioè descritta dalla fisica classica). 
La fisica quantistica ammette l’esistenza di oggetti che sono fortemente correlati. Per esempio, immaginiamo due amici, Alice e Bob, ognuno dei quali abbia una moneta. Quando Alice lancia la sua moneta, avrà il 50% di probabilità di ottenere testa e il 50% di probabilità di ottenere croce. La stessa cosa accade a Bob. Quando entrambi, Alice e Bob, lanciano le loro monete, abbiamo quindi una di quattro configurazioni possibili, ognuna con il 25% di probabilità: testa e testa, testa e croce, croce e testa, croce e croce. È importante notare che il risultato del lancio di Bob non dipende da quello di Alice, e viceversa. Fino a qui è tutto ovvio.

Ecco, ora immaginiamo due monete speciali, monete che esistono solo nel mondo della fisica quantistica. Chiamiamole monete quantistiche. Queste monete quantistiche hanno una proprietà difficile da intuire. Immaginiamo che Alice lanci la sua e ottenga testa con il 50% di probabilità. Le due monete quantistiche sono speciali perché, in questo caso, anche Bob otterrebbe testa quando lancia la sua. Garantito, con il 100% di probabilità. Stessa cosa nel caso in cui Alice ottenesse croce. Quindi, per le monete quantistiche di Alice e Bob, si possono verificare solo due configurazioni, ovvero testa e testa oppure croce e croce.

Le due rimanenti configurazioni, testa e croce, e croce e testa, sono escluse.
Le monete quantistiche appena descritte non sono un prodotto della nostra fantasia, ma possono essere costruite nel mondo fisico, per esempio attraverso due fotoni, i componenti fondamentali della luce. O attraverso atomi, I componenti fondamentali della materia. Testa e croce possono essere codificate nelle proprietà di un fotone o di un atomo. Sbalorditivo.

A che cosa serve tutto questo?Con la correlazione quantistica si possono fare una valanga di cose interessanti. C’è un esempio molto noto: condividere chiavi crittografiche, o, in altre parole, condividere password. Attraverso correlazioni quantistiche, Alice e Bob possono generare e condividere password praticamente impossibili da indovinare. 
Ma Alice e Bob possono anche scambiarsi messaggi più veloci della luce? La risposta è “no”. Semplicemente perché non possono decidere il risultato del lancio della moneta quantistica, in quanto testa o croce si verificano comunque con il 50% di probabilità.
Che cosa sono i computer quantistici e che ruolo ha l’entanglement nel loro funzionamento?Un computer quantistico è una macchina che processa informazione codificata in oggetti fisici il cui comportamento è governato dalla fisica quantistica. I computer quantistici promettono, in teoria, di risolvere alcuni problemi computazionali in maniera più veloce di ogni altro tipo di computer costruibile secondo le leggi della fisica che conosciamo oggi.È presumibile che le correlazioni quantistiche abbiano un ruolo nel suo comportamento, ma ad oggi non è ben chiaro quale esso sia.
Con l’entanglement è stato anche realizzato il teletrasporto quantistico. Di che cosa si tratta?Il teletrasporto quantistico è una procedura che usa correlazioni quantistiche e un canale di comunicazione tradizionale, come il telefono, per esempio, per trasmettere da un posto all’altro la descrizione di un oggetto quantistico, per poi poterlo ricostruire in maniera identica.
Dal punto di vista teorico, la procedura fu inventata nel 1993. Il relatore della mia tesi di dottorato, Richard Jozsa, fu uno dei suoi co-inventori. I primi esperimenti sul teletrasporto quantistico furono eseguiti nel 1997 da due gruppi: un gruppo a Roma, guidato da Francesco De Martini; e un gruppo a Innsbruck, guidato da Anton Zeilinger. È interessante osservare che il “mittente” del teletrasporto quantistico non deve necessariamente conoscere ciò che intende trasmettere.
È molto probabile che il teletrasporto quantistico un giorno avrà un ruolo chiave per far parlare tra loro computer quantistici. Quello che verrà chiamato internet quantistico, ovvero una rete di calcolatori quantistici connessi tra loro, utilizzerà proprio il teletrasporto quantistico come metodo principale per trasferire informazione.

Ad Amazon Web Services usate le tecnologie quantistiche in vario modo (v. Focus n. 362). Ma le attenzioni sono rivolte soprattutto al futuro. Quali sono i vostri programmi?In generale, è difficile prevedere il futuro della tecnologia, e soprattutto di una tecnologia che ancora richiede così tanta scienza come i computer quantistici.
Presso l’AWS (Amazon Web Services) Center for Quantum Computing, scienziati e ingegneri stanno lavorando alla costruzione di computer quantistici basati su superconduttori. Questi sono circuiti elettrici con proprietà squisitamente quantistiche. Abbiamo scelto questo approccio in parte perché permette di impiegare tecniche di fabbricazione note in microelettronica.
Gli esperimenti del nostro centro considerano due direzioni: la prima è cercare di migliorare la qualità dei materiali utilizzati nella costruzione dei processori quantistici; la seconda è il design di architetture innovative capaci di correggere gli errori che si verificano naturalmente durante il processo di calcolo. Ridurre questi errori è cruciale per riuscire a risolvere problemi di valore pratico. Per arrivarci, serve ancora tanto lavoro.

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