Questa antica luce stellare ha confermato la realtà dell'entanglement quantistico

Questo lunedì, un gruppo di ricercatori dell'MIT ha pubblicato i risultati di un recente esperimento che ha usato la luce di alcune stelle emessa 7.8 miliardi e 12.2 miliardi per aiutare a confermare la realtà dell'entanglement quantistico.

Questi risultati contribuiscono a chiarire un dibattito duraturo nel mondo della fisica che cerca di capire se l'entanglement sia soltanto un'illusione che, alla fine, può essere spiegata attraverso i principi della fisica classica. Questi nuovi risultati suggeriscono che l'entanglement si verifica effettivamente perché, se non esistesse, l'universo avrebbe dovuto in qualche modo "sapere" 7.8 miliardi di anni fa che questi scienziati dell'MIT avrebbero eseguito questi esperimenti nel 2018.

L'entanglement quantistico è la teoria secondo cui le particelle possono essere connesse in una maniera per cui la misurazione di una particella può immediatamente fornire informazioni circa la misurazione dell'altra particella, a prescindere dalla distanza tra le due. All'apparenza questo fenomeno può sembrare più attinente alla magia che alla scienza, ed è proprio per questo che, nel corso del tempo, questa teoria ha subito una buona dose di critiche dopo che è stata proposta per la prima volta quasi 100 anni fa.

Albert Einstein era uno tra i critici più in vista dell'entanglement, che aveva notoriamente descritto come "strani magheggi a distanza." Parte del motivo per la sua avversione nei confronti della meccanica quantistica dipendeva dal fatto che credeva che le particelle possiedano delle qualità definite esistenti anche prima della misurazione e che due particelle distanti nello spazio e nel tempo non possano influenzarsi l'un l'altra istantaneamente visto che sono limitate dalla velocità della luce — un punto di vista definito come realismo locale.

Seguendo i principi della meccanica quantistica, però, le proprietà di una particella non esistono indipendentemente dalla misurazione svolta per determinare queste proprietà. Inoltre, quando si tratta di particelle quantistiche, la misurazione di una particella influenzerà direttamente le proprietà dell'altra particella entangled. Ciò significa che il valore di queste proprietà sarà altamente correlato — così altamente correlato, infatti, che il livello di incidenza dei loro valori non può essere effettivamente spiegato se non ricorrendo alla meccanica quantistica.

Ciononostante, il realismo locale ha continuato a tormentare lo sviluppo della fisica quantistica. Nel 1960, il fisico John Bell ha calcolato il limite superiore del livello di correlazione tra due particelle se la loro relazione è governata dal realismo locale, piuttosto che dalla meccanica quantistica — un valore conosciuto come diseguaglianza di Bell.

Negli ultimi 50 anni, però, numerosi esperimenti hanno dimostrato i valori in eccesso della diseguaglianza di Bell, i quali hanno sollevato parecchi dilemmi teorici. O questi esperimenti hanno dimostrato la realtà dell'entanglement quantistico, o ci sono dei "loophole" introdotti non intenzionalmente all'interno dell'esperimento che potrebbero spiegare i risultati attraverso la fisica classica senza dover invocare i principi della meccanica quantistica.

Uno dei loophole più complessi è conosciuto come "loophole della libertà di scelta." È l'idea per cui il modo in cui un ricercatore imposta un esperimento — dalla scelta delle particelle usate fino al modo in cui le proprietà di queste particelle vengono misurate — può influenzare i risultati della misurazione in modi non prevedibili. Per dimostrare davvero l'entanglement quantistico, spiegano i critici, è necessario negare questo loophole della libertà di scelta negli esperimenti quantistici.

A maggio, un gruppo di ricercatori guidati dai fisici dell'Istituto di Scienze Fotoniche in Spagna ha pubblicato i risultati del più grande esperimento pensato per mettere in discussione il loophole della libertà di scelta. Questo esperimento ha richiesto a oltre 100.000 persone in tutto il mondo di giocare a un videogioco, e i risultati delle loro partite sono stati utilizzati nell'esperimento. L'idea alla base era che, visto che le azioni di queste 100.000 persone non potevano essere previste in anticipo, questa premessa avrebbe efficacemente rimosso ogni bias introdotto nell'esperimento impostato dai ricercatori e dunque avrebbe rimosso il loophole della libertà di scelta dall'esperimento.

Nello stesso periodo in cui i ricercatori stavano raccogliendo i dati dai partecipanti, però, anche un gruppo di fisici guidati dall'MIT stava esplorando nuovi metodi per chiudere il loophole della libertà di scelta nella meccanica quantistica. Invece che cercare le soluzioni sulla Terra, questi fisici si sono rivolti verso il cielo per eliminare il bias umano.

In passato, i fisici hanno cercato di colmare il loophole della ”libertà di scelta” generando particelle in entanglement a partire da un'unica fonte per inviarle poi a rivelatori localizzati in due punti diversi. Nell'istante che precedeva l'arrivo della particella, i rivelatori utilizzavano un generatore di numeri random per decidere quale proprietà della particella misurare (la rotazione, la polarità, ecc.) nel tentativo di eliminare il bias umano. Tuttavia, il problema era che tecnicamente anche questi generatori di numeri casuali potevano essere influenzati da variabili nascoste non quantistiche che influivano sulla misurazione.

Per eliminare l'influenza delle variabili nascoste, i ricercatori del MIT hanno abbandonato i generatori di numeri casuali a favore delle stelle. Nel loro esperimento, hanno messo alla prova i telescopi situati in due punti di rilevamento diversi puntandoli verso diverse stelle situate ad almeno 600 anni luce di distanza dalla Terra. Il team ha usato i fotoni di queste stelle per determinare quali misure sarebbero state condotte sulle particelle in entaglement nei rivelatori. La teoria era che l'utilizzo di emissioni provenienti da stelle distanti 600 anni luce avrebbe aiutato a colmare il loophole della libertà di scelta, perché qualsiasi variabile nascosta nell'esperimento sarebbe stata messa in moto prima che i fotoni lasciassero la stella di origine più di 600 anni fa.

"Diciamo che lo spazio vivibile per gli scettici della meccanica quantistica si è decisamente ridotto," ha spiegato il fisico del MIT David Kaiser in un comunicato diffuso dopo la pubblicazione dei risultati dell'esperimento. ”Non ci siamo ancora liberati del loophole della libertà di scelta, ma almeno l'abbiamo ridotto di 16 ordini di grandezza.”

In una ricerca pubblicata lunedì su Physical Review Letters, lo stesso team di fisici del MIT ha apportato altri notevoli miglioramenti alle misurazioni precedenti e ha ridotto ulteriormente l’influenza del loophole. Il nuovo esperimento è più o meno lo stesso, ma invece di utilizzare stelle comuni come fonte di randomicità per le misurazioni quantistiche, sfrutta la luce di due antichi quasar situati a 7,8 e 12,2 miliardi di anni luce di distanza da noi.

”La Terra ha circa 4,5 miliardi di anni, quindi qualsiasi meccanismo alternativo alla meccanica quantistica che avrebbe potuto produrre i nostri risultati sfruttando il loophole dovrebbe essere stato messo in atto molto tempo prima dell’esistenza di un pianeta Terra, figuriamoci addirittura di un MIT,” ha sottolineato Kaiser in un comunicato. ”Così abbiamo spinto tutte le spiegazioni alternative alla fisica quantistica fino ai primissimi passi della storia cosmica.”

Fondamentalmente, i quasar sono nubi dense di gas che circondano gli enormi buchi neri che si trovano al centro della maggior parte delle galassie. I gas dei quasar che vengono attirati verso i buchi neri emettono forti raffiche di energia diffuse attraverso tutto lo spettro elettromagnetico. Nell'esperimento più recente, i ricercatori hanno utilizzato dei telescopi incredibilmente sensibili per misurare la lunghezza d'onda delle particelle di fotoni emessi dai quasar.

Allo stesso tempo, una stazione situata tra i due telescopi generava migliaia di fotoni in entanglement che venivano inviati successivamente ai rivelatori dei telescopi. Per ogni coppia di fotoni in entanglement, i rivelatori misuravano la lunghezza d'onda dei fotoni interstellari in ingresso rispetto a una serie di metriche di base e utilizzavano questo valore per determinare quale misurazione sarebbe stata eseguita sui fotoni in ingresso.

I ricercatori hanno effettuato questa misurazione su un totale di circa 30.000 coppie di fotoni in entanglement. La correlazione tra le misurazioni effettuate sui fotoni ha superato di gran lunga le disuguaglianze di Bell. Questo è stato interpretato come un indizio che le particelle fossero in entanglement. Di fatto, Kaiser e i suoi colleghi hanno calcolato che le probabilità che questo grado di correlazione dipenda dalla fisica classica, piuttosto che da quella quantistica, sono di circa una su cento miliardi di miliardi. Secondo il fisico del MIT Alan Guth, la ricerca rende ”incredibilmente inverosimile che una teoria legata al realismo locale possa essere alla base della fisica dell'universo.”

Nonostante i risultati schiaccianti a favore dell'entanglement quantistico, esiste ancora la possibilità (incredibilmente) piccola che il realismo locale possa spiegare questi effetti. Per ridurre ancora di più queste incertezze, Kaiser, Guth e i loro colleghi stanno considerando esperimenti che studiano una fonte di casualità ancora più antica, come la radiazione cosmica di fondo. Tuttavia, l'esecuzione di questi esperimenti richiederebbe di superare una serie di sfide tecniche notevoli.

”È divertente pensare ai nuovi tipi di esperimenti che potremo progettare in futuro, ma per ora siamo molto contenti di poter ridurre in modo così drastico la rilevanza di questo loophole,” ha spiegato Kaiser. ”Il nostro esperimento con i quasar pone dei vincoli estremamente stretti alle varie spiegazioni alternative alla meccanica quantistica. Per quanto possa sembrare assurda, la meccanica quantistica continua a soddisfare qualsiasi prova sperimentale che riusciamo ad escogitare.”

Questo articolo è apparso originariamente su Motherboard US.