No, non possiamo ancora usare l’entanglement quantistico per comunicare più velocemente della luce

A quanto pare, Dio gioca davvero a dadi con l'Universo, e questa è una buona cosa. Nessuna informazione può essere inviata più velocemente della luce, consentendo di mantenere la causalità nel nostro Universo.

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Perché non possiamo inviare dati a velocità superiori a quella della luce sfruttando l'entanglement quantistico

Di Ethan Siegel

Una delle regole fondamentali della fisica, indiscussa da quando Einstein l’ha definita nel 1905, è che nessun segnale che trasporta informazioni di qualsiasi tipo può viaggiare attraverso l’Universo più veloce della velocità della luce. Le particelle, massicce o prive di massa, sono necessarie per trasmettere informazioni da una posizione all’altra, e quelle particelle sono obbligate a viaggiare al di sotto (a causa della massa) della velocità della luce, come stabilito dalle regole della relatività.

Dallo sviluppo della meccanica quantistica, tuttavia, si è pensato che potrebbe essere possibile sfruttare l’entanglement quantistico per sovvertire questa regola, escogitando schemi intelligenti per tentare di trasmettere informazioni in modo da “imbrogliare” la relatività e comunicare più veloce della luce. Sebbene sia un mirabile tentativo di aggirare le regole del nostro Universo, la comunicazione più veloce della luce è ancora impossibile. Ecco perché.

Lanciare una moneta dovrebbe tradursi in un risultato 50/50 di ottenere testa o croce. Se due "quantum" ... [+] sono intrappolate, tuttavia, misurare il risultato di una delle monete (testa o croce) può fornirti informazioni per fare meglio delle ipotesi casuali quando si tratta dello stato dell'altra moneta. Tuttavia, tali informazioni possono essere trasmesse, da una moneta all'altra, solo alla velocità della luce o più lentamente.
Lanciare una moneta dovrebbe tradursi in un risultato 50/50 di ottenere testa o croce. Se due “quantum” sono intrappolate, tuttavia, misurare il risultato di una delle monete (testa o croce) può fornirti informazioni per fare meglio delle ipotesi casuali quando si tratta dello stato dell’altra moneta. Tuttavia, tali informazioni possono essere trasmesse, da una moneta all’altra, solo alla velocità della luce o più lentamente. –  NICU BUCULEI / FLICKR

Concettualmente, l’entanglement quantistico è un’idea semplice. Puoi iniziare immaginando l’Universo classico e uno dei più semplici esperimenti “casuali” che potresti eseguire: lanciare una moneta. Se io e te abbiamo una moneta uguale e la lanciamo, ci aspetteremmo che ci sia una probabilità 50/50 che ognuno di noi ottenga testa e una probabilità 50/50 che ognuno ottenga croce. I tuoi risultati e i miei risultati non dovrebbero essere solo casuali, dovrebbero essere indipendenti e non correlati: se ricevo testa o croce, dovresti comunque avere 50/50 probabilità a prescindere da ciò che ottieni con il tuo lancio.

Ma se questo non è un sistema classico dopo tutto, e invece uno quantistico, è possibile che la tua moneta e la mia moneta rimangano intrecciate. Ognuno di noi potrebbe avere ancora una probabilità 50/50 di ottenere teste o croci, ma se lanci la tua moneta e misuri le teste, sarai immediatamente in grado di prevedere statisticamente una precisione migliore del 50/50 sul risultato.

Creando due fotoni aggrovigliati da un sistema preesistente e separandoli da grandi distanze, ... [+] possiamo "teletrasportare" le informazioni sullo stato di uno misurando lo stato dell'altro, anche da posizioni straordinariamente diverse. Le interpretazioni della fisica quantistica che richiedono sia la località che il realismo non possono giustificare una miriade di osservazioni, ma tutte le interpretazioni multiple sembrano ugualmente valide.
Creando due fotoni aggrovigliati da un sistema preesistente e separandoli da grandi distanze, … [+] possiamo “teletrasportare” le informazioni sullo stato di uno misurando lo stato dell’altro, anche da posizioni straordinariamente diverse. Le interpretazioni della fisica quantistica che richiedono sia la località che il realismo non possono giustificare una miriade di osservazioni, ma tutte le interpretazioni multiple sembrano ugualmente valide. – MELISSA MEISTER, FOTONI LASER ATTRAVERSO UNO SPLITTER DI RAGGI

Com’è possibile?

Nella fisica quantistica esiste un fenomeno noto come entanglement quantico, che è il luogo in cui si crea più di una particella quantistica – ognuna con il proprio stato quantico individuale – in cui si conosce qualcosa di importante sulla somma di entrambi gli stati insieme. È come se ci fosse un filo invisibile che collega la tua moneta e la mia moneta, e quando uno di noi effettua una misurazione della moneta che abbiamo, sappiamo immediatamente qualcosa sullo stato dell’altra moneta che va oltre la familiare casualità classica.

Anche questo non è un semplice lavoro teorico. Abbiamo creato coppie di quanti impigliati (fotoni, per essere specifici) che vengono poi allontanati l’uno dall’altro fino a quando non sono separati da grandi distanze, quindi utilizziamo due apparati di misurazione indipendenti che ci dicono qual è lo stato quantico di ogni particella. Effettuiamo queste misurazioni contemporaneamente, quindi ci riuniamo per confrontare i nostri risultati.

La migliore imitazione realista locale possibile (rossa) per la correlazione quantistica di due spin nello stato [...] singoletto (blu), insistendo sulla perfetta correlazione a zero gradi, perfetta correlazione a 180 gradi. Esistono molte altre possibilità per la correlazione classica soggetta a queste condizioni laterali, ma tutte sono caratterizzate da picchi acuti (e valli) a 0, 180, 360 gradi e nessuno ha valori più estremi (+/- 0,5) a 45, 135, 225, 315 gradi. Questi valori sono contrassegnati da stelle nel grafico e sono i valori misurati in un esperimento di tipo Bell-CHSH standard. Le previsioni quantistiche e classiche possono essere chiaramente discernute.
La migliore imitazione realista locale possibile (rossa) per la correlazione quantistica di due spin nello stato […] singoletto (blu), insistendo sulla perfetta correlazione a zero gradi, perfetta correlazione a 180 gradi. Esistono molte altre possibilità per la correlazione classica soggetta a queste condizioni laterali, ma tutte sono caratterizzate da picchi acuti (e valli) a 0, 180, 360 gradi e nessuno ha valori più estremi (+/- 0,5) a 45, 135, 225, 315 gradi. Questi valori sono contrassegnati da stelle nel grafico e sono i valori misurati in un esperimento di tipo Bell-CHSH standard. Le previsioni quantistiche e classiche possono essere chiaramente discernute. – RICHARD GILL, 22 DICEMBRE 2013,

Quello che troviamo, forse sorprendentemente, è che i tuoi risultati e i miei risultati sono correlati!

Abbiamo separato due fotoni su distanze di centinaia di chilometri prima di effettuare tali misurazioni e quindi misurato i loro stati quantici entro nanosecondi l’uno dall’altro. Se uno di questi fotoni ha uno spin +1, si può prevedere uno stato dell’altro con un’accuratezza di circa il 75%, anziché lo standard del 50%.

Inoltre, possiamo “conoscere” istantaneamente tali informazioni, piuttosto che aspettare che l’altro apparato di misurazione ci invii i risultati di quel segnale, che richiederebbe circa un millisecondo. Sembra, in superficie, che possiamo conoscere alcune informazioni su ciò che sta accadendo all’altra estremità dell’esperimento impigliato non solo più velocemente della luce, ma decine di migliaia di volte più velocemente di quanto la luce potrebbe mai trasmettere informazioni.

Se due particelle sono intrappolate, hanno proprietà di funzione d'onda complementari e misurando una ... [+] determina le proprietà dell'altra. Se crei due particelle o sistemi intrecciati, tuttavia, e misuri il modo in cui uno decade prima che l'altro decade, dovresti essere in grado di verificare se la simmetria di inversione temporale viene conservata o violata.
Se due particelle sono intrappolate, hanno proprietà di funzione d’onda complementari e misurando una … [+] determina le proprietà dell’altra. Se crei due particelle o sistemi intrecciati, tuttavia, e misuri il modo in cui uno decade prima che l’altro decade, dovresti essere in grado di verificare se la simmetria di inversione temporale viene conservata o violata. – UTENTE DI WIKIMEDIA COMMONS DAVID KORYAGIN

Ciò significa che possiamo usare l’entanglement quantistico per comunicare informazioni a velocità superiori alla luce?

Potrebbe sembrare così. Ad esempio, potresti tentare di elaborare un esperimento come segue:

  • Preparate un gran numero di particelle quantistiche aggrovigliate in una posizione (sorgente).
  • Trasportate una serie di coppie aggrovigliate a grande distanza (fino alla destinazione) mantenendo l’altra impostata alla fonte.
  • Hai un osservatore a destinazione per cercare una sorta di segnale e forzare le loro particelle intrappolate nello stato +1 (per un segnale positivo) o -1 (per un segnale negativo).
  • Quindi, effettui le tue misurazioni delle coppie intrecciate alla fonte e determini con una probabilità superiore al 50/50 quale stato vede l’osservatore a destinazione.
Il modello d'onda per gli elettroni che passano attraverso una doppia fenditura, uno alla volta. Se si misura "quale ... [+] fenditura" attraversa l'elettrone, si distrugge il modello di interferenza quantica mostrato qui. Indipendentemente dall'interpretazione, gli esperimenti quantistici sembrano preoccuparsi se facciamo o meno determinate osservazioni e misurazioni (o forziamo determinate interazioni).
Il modello d’onda per gli elettroni che passano attraverso una doppia fenditura, uno alla volta. Se si misura “quale … [+] fenditura” attraversa l’elettrone, si distrugge il modello di interferenza quantica mostrato qui. Indipendentemente dall’interpretazione, gli esperimenti quantistici sembrano preoccuparsi se facciamo o meno determinate osservazioni e misurazioni (o forziamo determinate interazioni). –  DR. TONOMURA E BELSAZAR DI WIKIMEDIA COMMONS

Sembra un’ottima configurazione per consentire comunicazioni più veloci della luce. Tutto ciò di cui hai bisogno è un sistema ben preparato di particelle quantistiche intrecciate, un sistema concordato per ciò che significheranno i vari segnali quando effettuerai le tue misurazioni e un tempo predeterminato in cui effettuerai quelle misurazioni critiche. A partire anche da anni luce, puoi immediatamente sapere cosa è stato misurato a destinazione osservando le particelle che hai tenuto con te.

Giusto?

È uno schema estremamente intelligente, ma che non ripagherà affatto. Quando, alla fonte originale, vai a fare queste misurazioni critiche, scoprirai qualcosa di estremamente deludente: i tuoi risultati mostrano semplicemente 50/50 probabilità di essere nello stato +1 o -1. È come se non ci fosse mai stato nessun intreccio.

Schema del terzo esperimento di Aspetto che verifica la non località quantistica. I fotoni aggrovigliati dalla sorgente ... [+] vengono inviati a due interruttori rapidi, che li indirizzano ai rivelatori polarizzanti. Gli interruttori cambiano le impostazioni molto rapidamente, cambiando efficacemente le impostazioni del rivelatore per l'esperimento mentre i fotoni sono in volo. Impostazioni diverse, abbastanza sconcertanti, portano a risultati sperimentali diversi.
Schema del terzo esperimento di Aspetto che verifica la non località quantistica. I fotoni aggrovigliati dalla sorgente … [+] vengono inviati a due interruttori rapidi, che li indirizzano ai rivelatori polarizzanti. Gli interruttori cambiano le impostazioni molto rapidamente, cambiando efficacemente le impostazioni del rivelatore per l’esperimento mentre i fotoni sono in volo. Impostazioni diverse, abbastanza sconcertanti, portano a risultati sperimentali diversi. – CHAD ORZEL

Cosa abbiamo sbagliato?  L’errore avviene nella fase in cui l’osservatore a destinazione fa un’osservazione e cerca di codificare tali informazioni nel loro stato quantico.

Quando fai questo passo – forzando un membro di una coppia di particelle aggrovigliate in un particolare stato quantico – rompi l’entanglement tra le due particelle. Vale a dire, l’altro membro della coppia intrecciata non è completamente influenzato da questa azione “forzante“, e il suo stato quantico rimane casuale, come una sovrapposizione di stati quantistici +1 e -1. Ma quello che hai fatto è rompere completamente la correlazione tra i risultati della misurazione. Lo stato in cui hai “forzato” la particella di destinazione ora non è correlato al 100% allo stato quantico della particella di origine.

Una configurazione di esperimento di gomma quantistica, in cui due particelle intrecciate vengono separate e misurate. No ... [+] alterazioni di una particella a destinazione influenzano il risultato dell'altra. Puoi combinare principi come la gomma quantistica con l'esperimento a doppia fenditura e vedere cosa succede se mantieni o distruggi, o guardi o non guardi, le informazioni che crei misurando ciò che accade alle fessure stesse.
Una configurazione di esperimento di gomma quantistica, in cui due particelle intrecciate vengono separate e misurate. No … [+] alterazioni di una particella a destinazione influenzano il risultato dell’altra. Puoi combinare principi come la gomma quantistica con l’esperimento a doppia fenditura e vedere cosa succede se mantieni o distruggi, o guardi o non guardi, le informazioni che crei misurando ciò che accade alle fessure stesse. – PATRICK EDWIN MORAN, UTENTE DI WIKIMEDIA COMMONS

L’unico modo possibile per aggirare questo problema è se fosse possibile, in qualche modo, fare una misurazione quantistica per forzare un risultato particolare. (Nota: questo non è qualcosa consentito dalle leggi della fisica).

Se fosse possibile, allora qualcuno a destinazione potrebbe condurre osservazioni – ad esempio, scoprire se un pianeta che stava visitando fosse abitato o meno – e quindi utilizzare un processo sconosciuto per:

  • misurare lo stato delle loro particelle quantistiche,
  • dove il risultato risulterà essere +1 se il pianeta è abitato,
  • o -1 se il pianeta è disabitato,
  • e quindi consentire all’osservatore alla sorgente delle coppie intrecciate di capire istantaneamente se questo pianeta distante è abitato o meno.

Sfortunatamente, i risultati di una misurazione quantistica sono inevitabilmente casuali; non è possibile codificare un risultato preferito in una misurazione quantistica.

Anche sfruttando l'entanglement quantistico, dovrebbe essere impossibile fare di meglio che indovinare ... [+] quando si tratta di sapere che cosa tiene la mano del mazziere.
Anche sfruttando l’entanglement quantistico, dovrebbe essere impossibile fare di meglio che indovinare … [+] quando si tratta di sapere che cosa tiene la mano del mazziere. – MAKSIM / CSTAR DI WIKIMEDIA COMMONS

Come ha scritto il fisico quantistico Chad Orzel, c’è una grande differenza tra fare una misurazione (dove viene mantenuto l’entanglement tra le coppie) e forzare un risultato particolare – che di per sé è un cambiamento di stato – seguito da una misurazione (dove l’entanglement non è mantenuto). Se vuoi controllare, piuttosto che misurare semplicemente, lo stato di una particella quantistica, perderai la tua conoscenza dello stato completo del sistema combinato non appena esegui l’operazione di cambiamento di stato.

L’entanglement quantistico può essere utilizzato solo per ottenere informazioni su un componente di un sistema quantistico misurando l’altro componente fintanto che l’entanglement rimane intatto.

Quello che non puoi fare è creare informazioni a un’estremità di un sistema aggrovigliato e in qualche modo inviarle all’altra estremità. Se potessi in qualche modo fare copie identiche del tuo stato quantico, dopo tutto sarebbe possibile una comunicazione più veloce della luce, ma anche questo è vietato dalle leggi della fisica.

Ci sono moltissime cose che puoi fare sfruttando la bizzarra fisica dell’entanglement quantico, come ad esempio creare un sistema quantistico di blocco e chiave che è praticamente indistruttibile con calcoli puramente classici.

Ma non è possibile copiare o clonare uno stato quantico  – poiché l’atto di limitarsi a leggere lo stato cambia radicalmente – è la bara di ogni schema realizzabile per ottenere una comunicazione più veloce della luce con l’entanglement quantistico.

Ci sono molte sottigliezze associate al modo in cui l’entanglement quantistico funziona effettivamente nella pratica, ma la chiave è questa: non esiste una procedura di misurazione che è possibile intraprendere per forzare un risultato particolare mantenendo l’entanglement tra le particelle.

Il risultato di qualsiasi misurazione quantistica è inevitabilmente casuale, annullando questa possibilità. A quanto pare, Dio gioca davvero a dadi con l’Universo, e questa è una buona cosa. Nessuna informazione può essere inviata più velocemente della luce, consentendo di mantenere la causalità nel nostro Universo.

Fonte: Forbes