Giocando con l’entanglement quantistico, i fisici sperano di venire a capo del fenomeno della gravità quantistica.
di ArXiv
Ecco un curioso esperimento mentale. Si immagini una nuvola di particelle quantistiche che si intrecciano, vale a dire condividano la stessa esistenza quantistica. Il comportamento di queste particelle è caotico. L’obiettivo di questo esperimento è inviare un messaggio quantistico attraverso questo insieme di particelle. Per riuscirci, il messaggio deve essere inserito in un lato del cloud e ripreso dall’altro.
Il primo passo, quindi, è dividere la nuvola al centro in modo che le particelle a sinistra possano essere controllate separatamente da quelle a destra. La mossa successiva è inviare il messaggio nella parte sinistra della nuvola, dove il comportamento caotico delle particelle lo rimescola rapidamente.
Un messaggio del genere può mai essere decodificato?
Oggi, arriva una risposta grazie al lavoro di Adam Brown di Google, in California, e a numerosi colleghi, tra cui Leonard Susskind dell’Università di Stanford, il “padre della teoria delle stringhe”. Questo team mostra esattamente come un messaggio del genere possa essere inviato e fatto riapparire.
“La sorpresa è il risultato”, dicono i ricercatori. Dopo un periodo in cui il messaggio sembra completamente confuso, all’improvviso si decodifica e riappare in un punto molto lontano da dove era stato originariamente inserito. “Il segnale si è inaspettatamente rifocalizzato, senza che si sia capito cosa è successo”, spiega Brown.
Un simile esperimento potrebbe gettar luce su uno dei misteri più profondi dell’universo: la natura quantistica della gravità e dello spaziotempo.
La chiave per comprendere questo esperimento mentale sta nella natura dei fenomeni emergenti. Brown dice che i sistemi quantistici possono mostrare i fenomeni emergenti esattamente come fanno i sistemi ordinari. Per esempio, quando due persone parlano tra loro e si scambiano informazioni utilizzando le onde sonore, il fenomeno è difficile da capire dal punto di vista della dinamica molecolare.
La stanza in cui parlano potrebbe contenere 10 alla 27ima molecole, ognuna in collisione con un’altra ogni 10 alla meno 10 secondi circa, in modo del tutto caotico.
Una simulazione al computer di un tale sistema dovrebbe elaborare 10 alla 37ima bit di informazioni ogni secondo. Ciò lo rende effettivamente impossibile, ma la conversazione continua comunque.
“La comunicazione è possibile nonostante il caos perché il sistema possiede comunque modalità collettive emergenti – le onde sonore – che si comportano in modo ordinato”, afferma Brown.
Esattamente lo stesso fenomeno opera anche a livello quantistico. Questo fenomeno emergente rifocalizza il messaggio quantistico nell’esempio precedente ed è
molto più significativo e potente delle semplici onde sonore. “Quando gli effetti quantistici sono significativi, modelli complessi di entanglement possono dare origine a nuovi tipi qualitativi di fenomeni collettivi emergenti”, sostiene Brown.
“Un esempio estremo di questo tipo di emergenza è proprio la generazione olografica di spaziotempo e gravità dall’entanglement, dalla complessità e dal caos”. In altre parole, un fenomeno quantistico emergente costituisce il fondamento della realtà.
Questa è la ragione per cui l’esperimento mentale descritto è oggetto di così tanto interesse. Permette, infatti, ai fisici di pensare a un semplice esempio di un fenomeno quantistico emergente e alla possibilità di crearne e testarne uno in laboratorio. Un simile esperimento renderebbe i fondamenti della realtà conosciuta un semplice giocattolo per i fisici con cui giocare.
Come si potrebbero realizzare un simile esperimento?
Brown dice che ci sono diversi modi per farlo. Il primo passo è quello di creare un insieme di stati quantistici intrecciati che possano facilmente essere separati in due insiemi per essere gestiti separatamente.
Un modo per farlo è quello di creare una vasta raccolta di coppie aggrovigliate note come gli stati di Bell. Brown afferma che queste coppie sono già state create usando atomi di rubidio e ioni intrappolati.
Il passo successivo è inserire le informazioni quantistiche in una metà di questi stati quantistici, che già è stata conseguita, sebbene su scala minore di quanto sia necessario per l’esperimento di Brown e colleghi.
Il passo finale è controllare l’evoluzione quantistica dell’altra metà degli stati quantistici per permettere al messaggio di riemergere. Questa parte è più complicata, ma i fisici sanno già come manipolare gli stati quantistici usando impulsi elettromagnetici, anche se in circostanze molto più semplici.
Questo tipo di esperimento va oltre lo stato dell’arte quantistica attuale, ma potrebbe essere possibile nei prossimi anni, vista la velocità con cui i fisici stanno sviluppando le loro abilità quantistiche, e aprire la strada a test su idee diverse sulla gravità quantistica.
In effetti, una delle scoperte di questo esperimento è la dimostrazione di un legame matematico formale tra la trasmissione di informazioni attraverso un sistema quantistico a molti corpi e il teletrasporto attraverso un wormhole nello spaziotempo. “Ciò indica che potremmo essere in grado di utilizzare esperimenti di fisica in laboratorio per sondare indirettamente la gravità quantistica”, afferma il team di ricerca.
Brown e altri sono chiaramente entusiasti: “La tecnologia per il controllo di complessi sistemi quantistici sta avanzando rapidamente e sembra che siamo all’alba di una nuova era della fisica: lo studio della gravità quantistica in laboratorio”.
