Fisica, tra entanglement e qubits

La meccanica quantistica è una teoria fisica davvero strana. Nata tra la fine dell’800 con i lavori sui fotoni di Boltzmann e gli inizi del ‘900 allo scopo di spiegare alcuni comportamenti degli atomi incomprensibili se trattati con la fisica classica, durante tutto il ‘900 è andata via via sviluppandosi e trovando sempre più conferme sperimentali, dimostrandone la validità, pur restando una teoria ad approssimata non riescendo a conciliarsi con la teoria della relatività. A differenza della meccanica classica, di natura deterministica, la meccanica quantistica è di natura probabilistica. Sostanzialmente, secondo la meccanica classica se lanciamo un oggetto, conoscendo forza e angolo possiamo determinare dove l’oggetto cadrà. Vige quindi il principio di causalità, ovvero l’esistenza di una condizione necessaria tra i fatti dell’esperienza che vengono interpretati come tra loro collegati da un rapporto di causa-effetto. La meccanica quantistica è invece di carattere indeterministico, basato sul concetto di probabilità e osservazione. Se vogliamo sapere con precisione la posizione di un elettrone in un atomo, non ne potremo mai conoscere la velocità e vice versa. Il famoso esempio del gatto di Schrödinger chiarisce il carattere della meccanica quantistica. In questo esempio un gatto è chiuso in una scatola con un macchinario collegato ad una boccetta contenente veleno. Questo macchinario si avvia quando un elemento radioattivo decade, rompendo la boccetta di veleno. Visto il tutto dall’esterno, il gatto all’interno della scatola può essere o vivo, o morto, non sapendo se l’elemento radioattivo sia decaduto oppure no. O meglio, per la meccanica quantistica il gatto è sia vivo che morto (si dice che è una sovrapposizione di stati, stato “vivo” e stato “morto”). Soltanto la fase di osservazione congela lo stato del gatto determinandone la sorte.

Un fenomeno quantistico veramente strano e controintuitivo è il cosìddetto Entanglement. Supponiamo di riuscire a preparare un sistema costituito da due particelle, uno con spin up e uno con spin down (il moto di spin, pur essendo un effetto puramente quantistico, può essere immaginato come il moto di rotazione della terra intorno al proprio asse. Spin up indica il moto orario, spin down quello antiorario. Visti i precedenti e ricordando che questo è un articolo divulgativo, prego i soliti che vogliono farsi notare con post saccenti di ricordarsi che a scuola è così che il moto di spin viene spiegato, ed è così che l’ho insegnato ai miei studenti e tutti hanno capito). Supponiamo di separare a grande distanza le due particelle, e di cambiare lo spin di una delle due. Istantaneamente l’altra particella “si riaggiusta” cambiando il suo moto di spin. Questo fenomeno, seppur abbia le sue basi teoriche ben fondate, dal punto di vista pratico è tanto controintuitivo quanto importante perchè lo scambio di informazione tra le due particelle avviene a velocità infinita; è cioè indipendente dalla distanza che le separa. E’ come se esistesse un legame intrinseco tra le due particelle che elude il concetto di distanza. Questo fenomeno è alla base del teletrasporto che, a differenza di Star Trek, è solo ed esclusivamente un teletrasporto di informazione.

Nel campo dell’informazione, il moto di spin è alla base del concetto di qubit, o bit quantistico. Mentre un bit classico è rappresentato o da 1 o da 0, data la natura probabilistica della meccanica quantistica un qubit può assumere un continuo di valori compresi tra 0 e 1, potendo quindi trasportare molta più informazione rispetto ad un bit classico. Questo fenomeno è alla base della possibilità di costruire computer quantistici che sarebbero estremamente più potenti e veloci dei computer di oggi (è comunque importante notare che, come il gatto di Schrödinger è o vivo o morto quando si apre la scatola, nel momento in cui si osserva un qubit ciò che si osserva è un 1 o uno 0).

Fino ad ora il problema nell’ottenere qubit entangled nello stato solido (cioè nella matrice base per avere dispositivi elettronici) era dovuto al fatto che i qubit interagiscono con l’ambiente esterno, venendo modificati e creando disordine nel trasporto di informazione che risulta totalmente inefficiente. Recentemente [1], però, per la prima volta è stato realizzato un sistema di due qubit entangled non interagenti con l’ambiente esterno. L’impatto non è forte solo per futuri sviluppi tecnologici (per il teletrasporto in primis), ma anche per una reinterpretazione della meccanica quantistica che vede, ora, nella sua intrinseca indeterminatezza, la creazione di un sistema completamente deterministico. In questo esperimento, infatti, la conservazione dello stato entangled e la sua misurazione estremamente precisa dovuta alla non interazione con l’ambiente esterno, genera un sistema quantistico deterministico. Si tratta del primo esperimento di questo tipo che dimostra la violazione del teorema (o della disuguaglianza) di Bell, che afferma che nessuna teoria fisica locale e deterministica può riprodurre le predizioni della meccanica quantistica.

[1] Wolfgang Pfaff et. al., Nature Physics, 9, 29-33 (2013).