Gli scienziati vincono il premio Nobel per la fisica per aver dimostrato che Einstein ha torto: ScienceAlert

Il premio Nobel 2022 per la fisica è stato assegnato a un trio di scienziati per esperimenti pionieristici di meccanica quantistica, la teoria che copre il micromondo di atomi e particelle.

Alain Aspect dell’Université Paris-Saclay in Francia, John Clauser di JF Clauser & Associates negli Stati Uniti e Anton Zeilinger dell’Università di Vienna in Austria, condivideranno la somma del premio di 10 milioni di corone svedesi (US $ 915.000) “per esperimenti con entangled fotoni, stabilendo la violazione delle disuguaglianze di Bell e aprendo la strada alla scienza dell’informazione quantistica”.

Il mondo della meccanica quantistica appare davvero molto strano. A scuola, ci viene insegnato che possiamo usare le equazioni in fisica per prevedere esattamente come si comporteranno le cose in futuro – dove andrà a finire una palla se la facciamo rotolare giù da una collina, per esempio.

La meccanica quantistica è diversa da questa. Piuttosto che prevedere i risultati individuali, ci dice la probabilità di trovare particelle subatomiche in luoghi particolari. Una particella può effettivamente trovarsi in più posti contemporaneamente, prima di “scegliere” una posizione a caso quando la misuriamo.

Anche il grande Albert Einstein stesso era sconvolto da questo, al punto da essere convinto che fosse sbagliato. Piuttosto che i risultati sono casuali, ha pensato che dovessero esserci alcune “variabili nascoste” – forze o leggi che non possiamo vedere – che prevedibilmente influenzano i risultati delle nostre misurazioni.

Alcuni fisici, tuttavia, hanno abbracciato le conseguenze della meccanica quantistica. John Bell, un fisico dell’Irlanda del Nord, fece un importante passo avanti nel 1964, escogitando un test teorico per dimostrare che le variabili nascoste che Einstein aveva in mente non esistono.

Secondo la meccanica quantistica, le particelle possono essere “aggrovigliate”, collegate in modo spettrale in modo che se ne manipoli una, manipoli automaticamente e immediatamente anche l’altra.

Se questa inquietudine – particelle lontane che si influenzano misteriosamente a vicenda istantaneamente – dovesse essere spiegata dalle particelle che comunicano tra loro attraverso variabili nascoste, richiederebbe una comunicazione più veloce della luce tra le due, cosa che le teorie di Einstein vietano.

L’entanglement quantistico è un concetto difficile da comprendere, in quanto collega essenzialmente le proprietà delle particelle, indipendentemente dalla loro distanza. Immagina una lampadina che emette due fotoni (particelle di luce) che viaggiano in direzioni opposte lontano da essa.

Se questi fotoni sono entangled, possono condividere una proprietà, come la loro polarizzazione, indipendentemente dalla loro distanza. Bell ha immaginato di fare esperimenti separatamente su questi due fotoni e di confrontarne i risultati per dimostrare che erano entangled (veramente e misteriosamente collegati).

Clauser mise in pratica la teoria di Bell in un momento in cui fare esperimenti su singoli fotoni era quasi impensabile. Nel 1972, appena otto anni dopo il famoso esperimento mentale di Bell, Clauser dimostrò che la luce poteva davvero essere aggrovigliata.

Sebbene i risultati di Clauser fossero rivoluzionari, c’erano alcune alternative, spiegazioni più esotiche per i risultati che ottenne.

Se la luce non si comportava esattamente come pensavano i fisici, forse i suoi risultati potrebbero essere spiegati senza entanglement. Queste spiegazioni sono note come scappatoie nel test di Bell e Aspect è stato il primo a contestarlo.

Aspect ha escogitato un ingegnoso esperimento per escludere una delle potenziali scappatoie più importanti nel test di Bell. Ha mostrato che le foto impigliate nell’esperimento non stanno effettivamente comunicando tra loro attraverso variabili nascoste per decidere l’esito del test di Bell.

Ciò significa che sono davvero spaventosamente collegati.

Nella scienza è incredibilmente importante testare i concetti che riteniamo corretti. E pochi hanno svolto un ruolo più importante nel fare questo di Aspect. La meccanica quantistica è stata testata più e più volte nel secolo scorso ed è sopravvissuta illesa.

Tecnologia quantistica

A questo punto, potresti essere perdonato se ti chiedi perché è importante come si comporta il mondo microscopico o che i fotoni possono essere entangled. È qui che la visione di Zeilinger brilla davvero.

Una volta abbiamo sfruttato la nostra conoscenza della meccanica classica per costruire macchine, per realizzare fabbriche, portando alla rivoluzione industriale. La conoscenza del comportamento dell’elettronica e dei semiconduttori ha guidato la rivoluzione digitale.

Ma comprendere la meccanica quantistica ci permette di sfruttarla, di costruire dispositivi in ​​grado di fare cose nuove. In effetti, molti credono che guiderà la prossima rivoluzione, della tecnologia quantistica.

L’entanglement quantistico può essere sfruttato nell’informatica per elaborare le informazioni in modi che prima non erano possibili. Il rilevamento di piccoli cambiamenti nell’entanglement può consentire ai sensori di rilevare le cose con una precisione mai vista prima.

Comunicare con la luce intrecciata può anche garantire sicurezza, poiché le misurazioni dei sistemi quantistici possono rivelare la presenza dell’intercettatore.

Il lavoro di Zeilinger ha aperto la strada alla rivoluzione tecnologica quantistica, mostrando come sia possibile collegare insieme una serie di sistemi entangled, per costruire l’equivalente quantistico di una rete.

Nel 2022, queste applicazioni della meccanica quantistica non sono fantascienza. Abbiamo i primi computer quantistici. Il satellite Micius utilizza l’entanglement per consentire comunicazioni sicure in tutto il mondo. E i sensori quantistici vengono utilizzati in applicazioni dall’imaging medico al rilevamento di sottomarini.

In definitiva, il panel Nobel 2022 ha riconosciuto l’importanza delle basi pratiche che producono, manipolano e testano l’entanglement quantistico e la rivoluzione che sta contribuendo a guidare.

Sono lieto di vedere questo trio ricevere il premio. Nel 2002 ho iniziato un dottorato di ricerca all’Università di Cambridge ispirandomi al loro lavoro. Lo scopo del mio progetto era quello di realizzare un semplice dispositivo a semiconduttore per generare luce aggrovigliata.

Ciò serviva a semplificare notevolmente le apparecchiature necessarie per eseguire esperimenti quantistici e consentire la costruzione di dispositivi pratici per applicazioni del mondo reale. Il nostro lavoro ha avuto successo e mi stupisce ed emoziona vedere i passi da gigante che sono stati fatti sul campo da allora.La conversazione

Robert Young, Professore di Fisica e Direttore del Lancaster Quantum Technology Center, Lancaster University

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.

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