Cos’è l’entanglement quantistico?

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entanglement quantistico

Computer quantisticicrittografia quantistica e quantum + qualsiasi altra cosa, sono spesso nelle notizie in questi giorni. Sono moltissimi gli articoli e le notizie che quotidianamente vengono pubblicati all’interno dei quali si fa riferimento all’Entanglement, una proprietà della fisica quantistica che rende possibili tutti questi dispositivi dall’apparenza quasi magica.

Einstein definì l’entanglement azione spettrale a distanza“, un nome che si è ormai affermato e sta diventando sempre più comune e conosciuto. Oltre che per il funzionamento dei computer quantistici, la comprensione e la capacità di utilizzare l’entanglement sono utili per molte altre cose.

Ad esempio, si usa l’entanglement per effettuare misurazioni più accurate delle onde gravitazionali e per comprendere meglio le proprietà dei materiali esotici. La sua utilità si manifesta anche sottilmente in su altre cose: ad esempio, ho studiato come gli atomi che si scontrano l’un l’altro si influenzano, per capire come questo abbia effetto sull’accuratezza degli orologi atomici.

Ma che cosa è l’entanglement? C’è un modo per capire questo fenomeno “spettrale“? Cercherò di spiegarlo mettendo insieme due nozioni di fisica: le leggi di conservazione e le sovrapposizioni quantistiche.

Leggi di conservazione

Le leggi di conservazione sono alcuni dei concetti più profondi e utili in tutta la fisica. La legge di conservazione dell’energia afferma che la quantità totale di energia in un sistema isolato rimane fissa (sebbene possa essere convertita dall’energia elettrica in energia meccanica al calore e così via). Questa legge è alla base del funzionamento di tutte le nostre macchine, siano esse macchine a vapore o auto elettriche. Le leggi sulla conservazione sono una sorta di dichiarazione contabile: puoi scambiare quantità di energia di energia tra loro, ma la quantità totale deve rimanere la stessa.

La conservazione della quantità di moto (il momento è la velocità della massa) è la ragione per cui, quando due pattinatori con diverse masse si allontanano l’uno dall’altro, il più leggero si allontana più velocemente del più pesante. Questa legge è anche alla base del famoso detto che “ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria“. La conservazione del momento angolare è il motivo per cui – tornando di nuovo sui pattinatori del ghiaccio – una pattinatrice che ruota su sé stessa può girare più velocemente avvicinando le sue braccia al suo corpo.

La francese Gabriella Papadakis e Guillaume Cizeron dimostrano gli effetti delle leggi sulla conservazione durante i campionati europei di pattinaggio di figura dell’ISU del 2019 in Bielorussia. Shutterstock

Il funzionamento di queste leggi di conservazione è stato verificato sperimentalmente su una straordinaria gamma di scale nell’universo, dai buchi neri post in lontanissime galassie fino ai più piccoli elettroni rotanti.

Aggiunta quantistica

Immaginate ora una bella escursione nei boschi. Arrivate ad ​​una biforcazione e dovete decidere se andare a destra o a sinistra. Il sentiero a sinistra sembra scuro e cupo, ma si ritiene che conduca ad un belvedere dove sarà possibile osservare panorami spettacolari, mentre quello a destra sembra soleggiato ma ripido e faticoso. Alla fine la decisione pende per quello di destra, magari con forti dubbi se non sarebbe stato meglio andare a sinistra. Ecco, in un mondo quantistico sarebbe stato possibile sceglierli entrambi.

Per i sistemi descritti dalla meccanica quantistica (dove le cose che sono sufficientemente ben isolate dal calore e dai disturbi esterni), le regole sono più interessanti. Ad esempio, un elettrone può trovarsi in uno stato dove gira in senso orario o in un altro stato dove gira in senso antiorario. A differenza di una trottola, però, un elettrone può anche essere in uno stato in cui ruota [in senso orario] + [rotazione antioraria] .

Gli stati dei sistemi quantistici possono essere sommati e sottratti l’uno dall’altro. Matematicamente, le regole per combinare gli stati quantici possono essere descritte allo stesso modo delle regole utilizzate per aggiungere e sottrarre vettori. La parola per definire una tale combinazione di stati quantistici è sovrapposizione . Questo è ciò che sta dietro a quegli strani effetti quantistici di cui potreste aver sentito parlare, come l’esperimento della doppia fenditura o la dualità delle particelle.

PBS Studios: The Double-Slit Experiment.

Supponiamo di decidere di forzare un elettrone nello stato di sovrapposizione [rotazione oraria] + [rotazione antioraria] per ottenere una risposta definita. L’elettrone si ritrova casualmente nello stato [rotazione oraria] o nello stato [rotazione antioraria]. Le probabilità di un risultato rispetto all’altro sono facili da calcolare (con un buon libro di fisica a portata di mano). L’intrinseca casualità di questo processo può dare fastidio se la propria visione del mondo richiede che l’universo si comporti in un modo completamente prevedibile, ma… è proprio così.

Leggi di conservazione e meccanica quantistica

Mettiamo insieme queste due idee e applichiamo la legge di conservazione dell’energia a una coppia di particelle quantistiche.

Immaginiamo una coppia di particelle quantistiche (ad esempio gli atomi) che iniziano con un totale di 100 unità di energia. Tu e un tuo amico separate la coppia, prendendone una a testa. Effettuiamo una misurazione e scopriamo che il tuo atomo ha 40 unità di energia. Usando la legge di conservazione dell’energia, deduci che l’atomo del tuo amico deve avere 60 unità di energia. Non appena conosci l’energia del tuo atomo, conosci immediatamente anche l’energia dell’atomo del tuo amico. Lo sapresti anche se il tuo amico non ti rivelasse questa informazione. E lo sapresti anche se il tuo amico si trovasse dall’altra parte della galassia nel momento in cui effettui la misurazione dell’energia del tuo atomo. Nulla di spiacevole a riguardo (una volta che ti rendi conto che questa è solo correlazione, non causalità).

Ma gli stati quantistici di una coppia di atomi possono essere più interessanti. L’energia della coppia può essere suddivisa in molti modi possibili (coerentemente con il risparmio energetico, ovviamente). Lo stato combinato della coppia di atomi può trovarsi in una sovrapposizione, ad esempio:

[IL TUO ATOMO: 60 UNITÀ; ATOMO DI AMICO: 40 UNITÀ] + [IL TUO ATOMO: 70 UNITÀ; ATOMO DI AMICO: 30 UNITÀ].

Questo è uno stato entangled dei due atomi. Né il tuo atomo, né quello del tuo amico, ha un’energia definita in questa sovrapposizione. Tuttavia, le proprietà dei due atomi sono correlate a causa della conservazione dell’energia: le loro energie sommano sempre fino a 100 unità.

Ad esempio, se misuri il tuo atomo e lo trovi in ​​uno stato con 70 unità di energia, puoi essere certo che l’atomo del tuo amico ha 30 unità di energia. Lo sapresti anche se il tuo amico non ti avesse mai rivelato alcuna informazione. E grazie al risparmio energetico, lo sapresti anche se il tuo amico si trovasse dall’altra parte della galassia.

Insomma, se siamo in grado di misurare la carica di uno dei due atomi in un sistema chiuso, conosceremo automaticamente anche la carica dell’altro atomo del sistema, ovunque questo si trovi. Questo è l’entanglement.

Niente di spettrale.La conversazione