Il tempo, questo sconosciuto. Paradossi e Quantum Information nel Nobel per la fisica 2022

L’articolo dell’area Curie di questo mese, ci porta alla scoperta del Quantum Entanglement, il cui studio è valso il Nobel 2022 ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger. Due particelle o sistemi che non possono interagire nel presente e nel futuro, ma che hanno interagito nel passato, esibiscono correlazioni. È come se le due particelle fossero legate dalla loro storia e interazione passata: non possono essere descritte separatamente³.  

Il concetto di tempo è un concetto che potrebbe sembrare quasi banale: lo acquisiamo sin da bambini, prima in maniera soggettiva e poi oggettiva, associandolo ad eventi che si ripetono in maniera regolare. Negli ultimi 150 anni, tuttavia, la fisica moderna ha sconvolto la nozione di tempo. Nella fisica relativistica, infatti, il tempo risulta fuso con le dimensioni spaziali in un’unica struttura, lo spazio-tempo: lo scorrere del tempo non è più assoluto, ma è relativo all’osservatore; la massa modifica lo scorrere del tempo; la velocità massima con cui si può trasmettere informazione è quella della luce.

La meccanica quantistica ci ha mostrato che la materia, a livello atomico e subatomico, si comporta in maniere che violano radicalmente le nostre concezioni intuitive del tempo e dello spazio. Uno degli esempi classici è il paradosso elaborato nel 1935 da Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen ( conosciuto come paradosso EPR dalle iniziali dei cognomi dei tre studiosi)¹.

In una delle sue formulazioni^2,3, il paradosso parte dal seguente esperimento mentale:

Due particelle vengono sparate in direzioni opposte in maniera tale che la somma degli «spin» (grandezza correlata alla rotazione delle particelle, e che può valere 1 o -1) sia nulla, e che si conservi. A questo sistema, può essere associata  una «funzione d’onda». Questa, descrive tutti gli  «stati» o configurazioni possibili del sistema delle due particelle, in maniera probabilistica. Il sistema è in ogni stato contemporaneamente ma con determinate probabilità di essere in ciascuno stato (principio di sovrapposizione).

Senza la misura dello spin della prima particella, la distribuzione dello spin della seconda sarebbe stata differente.

Perché questi risultati sono significativi? Perché è come se le misurazioni di A influenzassero a distanza, istantaneamente, le misurazioni di B, mettendo in crisi due concetti fondamentali della fisica: 

• La velocità della luce come limite massimo:  la misura di A sembra essersi propagata a velocità superiori a quelle della luce fino alla particella di B, che assume uno spin definito solo rispetto all’asse di A (la funzione d’onda collassa istantaneamente). Tuttavia, ciò non viola la teoria della relatività: A non può trasmettere alcun segnale intelligibile a B, che troverà sempre valori apparentemente casuali; solo a posteriori sarà possibile verificare le correlazioni. Inoltre, non vi è causalità fra le misurazioni.^2,3
• Il principio di località, per cui ciò che avviene in una determinata regione dello spazio non dovrebbe avere effetti immediati sui processi in corso in un altro luogo. Eppure, pur non violando la relatività, le due particelle dell’esperimento sembrano essere «legate» a distanza e in tempo reale, senza alcuno scarto. 

Quest’ultimo punto era particolarmente spinoso per Einstein, che perciò considerava la meccanica quantistica una teoria incompleta; a suo parere, era necessario integrarla con una teoria locale che prevedesse anche delle variabili nascoste o sconosciute a cui attribuire questi fenomeni misteriosi.

Le predizioni probabilistiche della meccanica quantistica sarebbero derivate dall’applicazione della statistica a questa teoria, l’azione a distanza sarebbe derivata in realtà da una caratteristica già posseduta dalle particelle.

Fu un fisico nordirlandese, John Stewart Bell, a formalizzare il problema, definendo i requisiti matematici delle teorie locali a variabili nascoste : all’interno di queste teorie, le correlazioni delle misure dei misuratori A e B, devono per forza rispettare una certa disuguaglianza, che viene invece violata dalle predizioni della meccanica quantistica^3,4 . 

Ma come si comportano le particelle nella realtà, quindi? Tutti gli esperimenti condotti fino ad ora hanno mostrato delle correlazioni che violavano la disuguaglianza di Bell, smentendo quindi l’ipotesi dell’esistenza di variabili locali nascoste e confermando le predizioni della meccanica quantistica. Questi esperimenti sono valsi proprio il premio Nobel 2022 ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger.

L’interpretazione del Quantum Entanglement è ancora molto incerta, sia per la fisica che per la filosofia della scienza; ma questo non ha impedito di sfruttarlo nell’informatica quantistica.  Infatti, tramite il Quantum Entanglement, insieme all’invio di informazione classica (quindi senza violare la relatività), è possibile anche trasmettere informazione quantistica e «teleportare» qubit, l’equivalente dei bit nell’informatica quantistica (quantum teleportation). Il Quantum Entanglement ci permette anche di trasmettere un numero di bit classici usando un numero molto minore di qubit (superdense coding). Proprio Zeilinger si è occupato in parte di questi aspetti.

In sintesi, si può notare come il tempo sia in realtà un concetto sfuggente anche in meccanica quantistica; nonostante questo, è stato possibile usare questa sua caratteristica a vantaggio dell’informatica quantistica.

 Bibliografia

1. Einstein, A; B Podolsky; N Rosen (1935). “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?”  Physical Review. 47 (10): 777–780
2. https://en.wikipedia.org/wiki/EPR_paradox
3. Konishi, K.; Paffuti, G. (2013). Meccanica quantistica: nuova introduzione. Pisa University Press.
4. Bell, J. S. (1964). “On the Einstein Podolsky Rosen Paradox”. Physics Physique Физика. 1 (3): 195–200
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement