Premio Nobel per la fisica assegnato per il lavoro sull’entanglement quantistico

  • La Royal Swedish Academy of Sciences ha assegnato il Premio Nobel per la fisica 2022 ad Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger.
  • Attraverso il loro lavoro, questi scienziati hanno dimostrato che le variabili nascoste – un concetto inventato da Einstein per descrivere gli elementi mancanti della fisica quantistica –non esistere.
  • I loro risultati hanno avuto un impatto sull’informatica quantistica e sulla crittografia quantistica.

Una volta descritto come “un’azione spettrale a distanza” dal fisico più famoso del mondo, Albert Einstein, l’entanglement – l’idea che due particelle separate da grandi distanze potrebbero influenzarsi istantaneamente a vicenda – è il cuore stesso di ciò che rende la fisica quantistica così strana e controintuitivo

Martedì mattina, la Royal Swedish Academy of Sciences ha assegnato il Premio Nobel 2022 per la fisica a tre fisici quantistici – Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger – il cui lavoro ha confermato questo fenomeno preoccupante e lo ha posto al centro di una rivoluzione tecnica . Aspect, Clauser e Zeilinger condivideranno equamente il premio da 10 milioni di corone ($ 915.000 USD).

in un dichiarazione sul suo sito web, il Comitato per il Nobel afferma di aver assegnato congiuntamente il Premio Nobel per la fisica 2022 al trio per i loro separati “esperimenti con fotoni entangled, che hanno stabilito la violazione delle disuguaglianze di Bell e hanno aperto la strada alla scienza dell’informazione quantistica”.

anteprima per Meccanica popolare tutte le sezioni

“Una delle previsioni più affascinanti della meccanica quantistica è l’entanglement, in cui è possibile preparare particelle ampiamente separate in modo che si comportino come una singola unità”, Ulf Danielsson, segretario del Comitato Nobel per la Fisicaracconta Meccanica popolare. “Gli esperimenti rivoluzionari di Clauser, Aspect e Zeilinger mostrano che questo fenomeno sbalorditivo persiste a distanze macroscopiche, dimostrando la carenza della nostra intuizione classica”.

Danielsson, professore di fisica teorica all’Università di Uppsala in Svezia, fa riferimento al fatto che questo fenomeno di una connessione quantistica istantanea tra particelle su grandi distanze non è tenuto in considerazione nella fisica classica del mondo quotidiano.

Aggiunge che i risultati del trio non sono solo importanti per la nostra comprensione fondamentale del mondo, ma puntano verso applicazioni future come la comunicazione sicura utilizzando crittografia quantistica e la capacità di costruire computer quantistici di potenza sbalorditiva.

Dimostrare che Einstein ha torto

entanglement quantistico

Opera d’arte concettuale di una coppia di particelle quantistiche intrecciate o eventi che interagiscono a distanza. L’entanglement quantistico è una delle conseguenze della teoria quantistica. Sembrerà che due particelle siano collegate nello spazio e nel tempo, con modifiche a una delle particelle (come un’osservazione o una misurazione) che influiscono sull’altra. Questo effetto istantaneo sembra essere indipendente sia dallo spazio che dal tempo, il che significa che, nel regno quantistico, l’effetto può precedere la causa.

MARK GARLICK/BIBLIOTECA FOTOGRAFICA DELLA SCIENZA//Getty Images

Nella fisica quantistica, l’entanglement descrive uno stato in cui due particelle sono collegate in modo tale che la misurazione della qualità di una – chiamata variabile – fa sì che l’altra adotti immediatamente un valore corrispondente o anti-corrispondente.

Questo potrebbe non sembrare troppo preoccupante in primo piano, ma considera che questo cambiamento istantaneo nella seconda particella avverrebbe anche se la coppia aggrovigliata si trovasse su lati opposti dell’universo.

L’entanglement, come è stato suggerito per la prima volta negli anni ’30, ha invaso l’idea di “realismo locale”, che può essere sintetizzato in due affermazioni. In primo luogo, il realismo afferma che tutte le particelle hanno proprietà definite per tutte le possibili misurazioni. In secondo luogo, la località afferma che la comunicazione tra le particelle non può avvenire più velocemente della velocità della luce.

L’azione istantanea dell’entanglement metteva in dubbio almeno una di queste premesse, forse entrambe. Per Einstein, attraverso la sua sfida alla località, questa natura istantanea rappresentava una minaccia a uno dei suoi principi chiave della relatività speciale: il fatto che nulla può viaggiare più veloce di luce.

Einstein pensava che, piuttosto che violare il realismo locale, l’entanglement e la sua “azione spettrale a distanza” indicassero che la fisica quantistica era incompleta; credeva che alla fine sarebbero stati trovati elementi che collegavano le variabili di una particella all’altra. Gli elementi che lui e altri fisici ritenevano mancassero divennero noti come “variabili nascoste locali”.

Il lavoro di Clauser, Aspect e Zeilinger è così innovativo e degno del più alto premio in fisica perché ha definitivamente dimostrato che le variabili nascoste non esistere. Ma la ragione per cui la non località non viola la relatività non è stata compresa e da allora è stata oggetto di accesi dibattiti. Un suggerimento è che le particelle aggrovigliate fanno ancora parte dello stesso sistema, quindi la distanza tra loro non ha importanza.

Conferma che la fisica quantistica è completa

da sinistra a destra alain aspetto, john f clauser e anton zeilinger

Da sinistra a destra: Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger.

Niklas Elmehed © Premio Nobel Outreach

Nel 1964, il fisico nordirlandese John Stewart Bell ideò la sua omonima teoria di Bell, che suggeriva che la località fosse un’ipotesi verificabile. La rottura del realismo locale è stata definita “la violazione delle disuguaglianze di Bell”.

Il fisico teorico e sperimentale americano Clause, insieme all’allora studente laureato alla UC Berkeley Stuart Freedman, scomparso nel 2012, ha ideato il primo esperimento pratico per dare la caccia a una tale violazione nel 1972. Il duo ha costruito un esperimento per inviare due foto aggrovigliate di fronte direzioni verso filtri a polarizzazione fissa.

Questi filtri o bloccherebbero il fotoni o consentire loro di passare a un rivelatore in base al loro angolo e alla polarizzazione del fotone, con il risultato riflesso nel suo partner entangled. I risultati ottenuti sfidavano le regole della meccanica classica, l’esistenza di variabili nascoste e concordavano con la teoria quantistica. In altre parole, l’esperimento ha violato la disuguaglianza di Bell.

Aspect, un fisico dell’Université Paris-Saclay e dell’École Polytechnique, in Francia, avrebbe inventato versioni migliorate dell’esperimento di Clauser e Freedman nel 1982. Nei test di Aspect era incorporata la capacità di registrare le foto bloccate al filtro. Ancora una volta, uno scienziato ha dimostrato la violazione della disuguaglianza di Bell.

Nel 1997 all’Università di Vienna in Austria, Zeilinger, ora scienziato senior presso l’Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica dell’Accademia austriaca delle scienze, è andato ancora oltre. Ha dimostrato il trasferimento di informazioni quantistiche da una coppia entangled a una terza particella. Nel 1998, ha seguito questo lavoro intrecciando due fotoni che non interagiscono direttamente utilizzando particelle partner entangled.

Nicolas Brunner è professore associato all’Università di Ginevra, dove la sua area di ricerca è alla base della teoria quantistica e dell’elaborazione dell’informazione quantistica. Ciò significa che la sua ricerca è fortemente imperniata sui concetti di entanglement e nonlocalità. “La non località quantistica è la più forte dimostrazione di entanglement e dimostra che la natura è intrinsecamente non locale”, dice Meccanica popolare. “A differenza di quanto sperava Einstein, non c’è modo di trasformare la teoria quantistica in una teoria fisica che si comporti localmente. E il lavoro di Clauser, Aspect e Zeilinger è stata la prima dimostrazione davvero convincente di questo aspetto fondamentale della meccanica quantistica”.

Da qui, spiega Brunner, i ricercatori erano liberi di speculare su cosa si poteva fare con la natura non locale dell’entanglement e della meccanica quantistica. Ciò ha portato allo sviluppo della crittografia quantistica, in particolare, e della tecnologia quantistica in generale.

“Puoi usare l’entanglement dei fotoni per creare un sistema crittografico in cui due parti lontane possono scambiarsi messaggi segreti in piena privacy”, afferma Brunner. “La privacy e la sicurezza sono garantite dalle leggi della meccanica quantistica.”

Per quanto riguarda il significato di questo premio per i campi della fisica quantistica e dell’informazione quantistica, Brunner pensa che sia fantastico. “Lavoro con la non-località quantistica da 20 anni, dall’inizio del mio dottorato di ricerca. Vederlo riconosciuto così dai più importanti premi di fisica è davvero una bella cosa. È davvero un riconoscimento dell’importanza dei soggetti nel campo dell’informazione quantistica in generale”.

In una conferenza stampa che ha annunciato il premio martedì, Zeilinger ha sottolineato i contributi dei suoi colleghi nel campo della fisica quantistica.

“In realtà sono stato molto sorpreso di ricevere la chiamata”, ha detto. “Questo premio non sarebbe possibile senza il lavoro di oltre 100 giovani nel corso degli anni”.

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