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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