L’entanglement quantistico è un fenomeno fisico che si verifica quando coppie o gruppi di particelle sono generati o interagiscono in modi tali che lo stato quantico di ogni particella non può essere descritto indipendentemente dallo stato dell’altro (s), anche quando le particelle sono separate da un a grande distanza, invece, deve essere descritto uno stato quantico per il sistema nel suo complesso.
Si ritiene che l’entanglement quantistico sia uno dei concetti più complessi della scienza, ma i problemi principali sono semplici. E una volta capito, l’entanglement apre una più ricca comprensione di concetti come i “molti mondi” della teoria dei quanti. Un’aura di mistero affascinante si collega al concetto di entanglement quantistico , e anche alla (in qualche modo) affermazione correlata che la teoria quantistica richiede “molti mondi”. Eppure alla fine quelle sono, o dovrebbero essere, idee scientifiche e implicazioni concrete. Qui vorrei spiegare i concetti di entanglement e molti mondi in modo semplice e chiaro.L’entanglement è spesso considerato un fenomeno unicamente meccanico-quantistico, ma non lo è. In effetti, è illuminante, anche se un po ‘non convenzionale, considerare prima una semplice versione non-quantica (o “classica”) dell’entanglement. Questo ci consente di fare leva sulla sottigliezza dell’entanglement stesso, a parte la stranezza generale della teoria quantistica. L’entanglement si verifica in situazioni in cui abbiamo una conoscenza parziale dello stato di due sistemi. Ad esempio, i nostri sistemi possono essere due oggetti che chiameremo c-on. La “c” ha lo scopo di suggerire “classico”, ma se preferisci avere qualcosa di specifico e piacevole in mente, puoi pensare alle nostre c-on come torte.I nostri c-on sono disponibili in due forme, quadrate o circolari, che identifichiamo come possibili stati. Quindi i quattro possibili stati uniti, per due c-on, sono (quadrato, quadrato), (quadrato, cerchio), (cerchio, quadrato), (cerchio, cerchio). Le seguenti tabelle mostrano due esempi di cosa potrebbero essere le probabilità per trovare il sistema in ciascuno di questi quattro stati.
Diciamo che i c-on sono “indipendenti” se la conoscenza dello stato di uno di essi non fornisce informazioni utili sullo stato dell’altro. Il nostro primo tavolo ha questa proprietà. Se il primo c-on (o torta) è quadrato, siamo ancora al buio sulla forma del secondo. Allo stesso modo, la forma del secondo non rivela nulla di utile sulla forma del primo.D’altra parte, diciamo che i nostri due c-on sono impigliati quando l’informazione su uno migliora la nostra conoscenza dell’altro. La nostra seconda tabella dimostra l’entanglement estremo. In tal caso, ogni volta che il primo c-on è circolare, sappiamo che anche il secondo è circolare. E quando il primo c-on è quadrato, lo è anche il secondo. Conoscendo la forma di uno, possiamo dedurre la forma dell’altro con certezza.
La versione quantistica dell’entanglement è essenzialmente lo stesso fenomeno – cioè, la mancanza di indipendenza. Nella teoria quantistica, gli stati sono descritti da oggetti matematici chiamati funzioni d’onda. Le regole che collegano le funzioni d’onda alle probabilità fisiche introducono complicazioni molto interessanti, come discuteremo, ma il concetto centrale di conoscenza entangled, che abbiamo già visto per le probabilità classiche, continua. Le torte non contano come sistemi quantistici, naturalmente, ma l’entanglement tra i sistemi quantistici sorge spontaneamente – ad esempio, all’indomani delle collisioni tra particelle. In pratica, gli stati non indipendenti (indipendenti) sono rare eccezioni, perché ogni volta che i sistemi interagiscono, l’interazione crea delle correlazioni tra loro. Si consideri, ad esempio, le molecole. Sono compositi di sottosistemi, cioè elettroni e nuclei. Lo stato di energia più basso di una molecola, in cui si trova di solito, è uno stato altamente intrappolato dei suoi elettroni e nuclei, poiché le posizioni di quelle particelle costituenti non sono affatto indipendenti. Mentre i nuclei si muovono, gli elettroni si muovono con loro.Tornando al nostro esempio: Se scriviamo Φ ■ , Φ ● per le funzioni d’onda che descrivono il sistema 1 nei suoi stati quadrati o circolari, e ψ ■ , ψ ● per le funzioni d’onda che descrivono il sistema 2 nei suoi stati quadrati o circolari, quindi nel nostro esempio di lavoro saranno gli stati generaliIndipendente: Φ ■ ψ ■ + Φ ■ ψ ● + Φ ● ψ ■ + Φ ● ψ ●Entagled: Φ ■ ψ ■ + Φ ● ψ ●Possiamo anche scrivere la versione indipendente come(Φ ■ + Φ ● ) (ψ ■ + ψ ● )Nota come in questa formulazione le parentesi separano chiaramente i sistemi 1 e 2 in unità indipendenti.Ci sono molti modi per creare stati entangled. Un modo è quello di misurare il tuo sistema (composito) che ti dà informazioni parziali. Possiamo imparare, per esempio, che i due sistemi hanno cospirato per avere la stessa forma, senza imparare esattamente quale forma hanno. Questo concetto diventerà importante in seguito. Le conseguenze più distintive dell’entanglement quantistico, come gli effetti Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) e Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), derivano dalla sua interazione con un altro aspetto della teoria dei quanti chiamato “complementarità”. Per aprire la strada alla discussione su EPR e GHZ, introduciamo ora la complementarità.In precedenza, immaginavamo che i nostri c-on potessero esibire due forme (quadrato e cerchio). Ora immaginiamo che possa anche mostrare due colori: rosso e blu. Se parliamo di sistemi classici, come le torte, questa proprietà aggiuntiva implicherebbe che i nostri c-on potrebbero essere in uno dei quattro possibili stati: un quadrato rosso, un cerchio rosso, un quadrato blu o un cerchio blu. Eppure per una torta quantistica – un terremoto, forse, o (con più dignità) un q-on – la situazione è profondamente diversa. Il fatto che un q-on possa esibire, in situazioni diverse, forme diverse o colori diversi non significa necessariamente che sia contemporaneamente una forma e un colore. In effetti, questa inferenza di “senso comune”, che Einstein ha insistito, dovrebbe far parte di qualsiasi nozione accettabile di realtà fisica, è incoerente con i fatti sperimentali, come vedremo tra breve.Possiamo misurare la forma del nostro q-on, ma così facendo perdiamo tutte le informazioni sul suo colore. Oppure possiamo misurare il colore del nostro q-on, ma così facendo perdiamo tutte le informazioni sulla sua forma. Ciò che non possiamo fare, secondo la teoria dei quanti, è misurare sia la sua forma che il suo colore simultaneamente. Nessuna visione della realtà fisica cattura tutti i suoi aspetti; si devono prendere in considerazione molti punti di vista diversi e reciprocamente esclusivi, ognuno dei quali offre una visione valida ma parziale. Questo è il cuore della complementarità, come lo ha formulato Niels Bohr. Di conseguenza, la teoria dei quanti ci costringe a essere prudenti nell’assegnare la realtà fisica alle proprietà individuali. Per evitare contraddizioni, dobbiamo ammettere che:
- Una proprietà che non è misurata non deve necessariamente esistere.
- La misurazione è un processo attivo che altera il sistema misurato.
Ora descriverò due classici, anche se lontani dalla classica! – illustrazioni della stranezza della teoria quantistica. Entrambi sono stati controllati in esperimenti rigorosi. (Negli esperimenti reali, le persone misurano le proprietà come il momento angolare degli elettroni piuttosto che le forme oi colori delle torte). Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen (EPR) hanno descritto un effetto sorprendente che può sorgere quando due sistemi quantistici sono impigliati. L’effetto EPR sposa una forma specifica e sperimentalmente realizzabile di entanglement quantistico con complementarità. Una coppia EPR consiste di due q-on, ognuno dei quali può essere misurato per la sua forma o per il suo colore (ma non per entrambi). Supponiamo di avere accesso a molte di queste coppie, tutte identiche, e che possiamo scegliere quali misure fare dei loro componenti. Se misuriamo la forma di un membro di una coppia EPR, troviamo che è altrettanto probabile che sia quadrata o circolare. Se misuriamo il colore, troviamo che è altrettanto probabile che sia rosso o blu.Gli effetti interessanti, che EPR considera paradossali, sorgono quando misuriamo entrambi i membri della coppia. Quando misuriamo entrambi i membri per il colore, o entrambi i membri per la forma, troviamo che i risultati sono sempre d’accordo. Quindi se scopriamo che uno è rosso e poi misuriamo il colore dell’altro, scopriremo che anche questo è rosso e così via. D’altra parte, se misuriamo la forma di uno, e quindi il colore dell’altro, non c’è alcuna correlazione. Quindi se il primo è quadrato, il secondo è altrettanto probabile che sia rosso o blu. Secondo la teoria quantistica, otterremo quei risultati anche se grandi distanze separano i due sistemi e le misurazioni vengono eseguite quasi simultaneamente. La scelta della misurazione in una posizione sembra influenzare lo stato del sistema nell’altra posizione. Questa “azione spettrale a distanza”, come la chiamava Einstein, potrebbe richiedere la trasmissione di informazioni – in questo caso, informazioni su quale misura è stata eseguita – ad una velocità superiore a quella della luce. Ma lo fa? Finché non conosco il risultato ottenuto, non so cosa aspettarmi. Ottengo informazioni utili quando imparo il risultato che hai misurato, non nel momento in cui lo misuri. E ogni messaggio che rivela il risultato che hai misurato deve essere trasmesso in un modo fisico concreto, più lento (presumibilmente) della velocità della luce.Credito: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARYA una riflessione più profonda, il paradosso si dissolve ulteriormente. Anzi, consideriamo nuovamente lo stato del secondo sistema, dato che il primo è stato misurato in rosso. Se scegliamo di misurare il secondo colore del q-on, diventeremo sicuramente rossi. Ma come abbiamo discusso prima, quando introduciamo la complementarità, se scegliamo di misurare la forma di un q-on, quando è nello stato “rosso”, avremo la stessa probabilità di trovare un quadrato o un cerchio. Quindi, lungi dall’introdurre un paradosso, l’esito dell’EPR è logicamente forzato. In sostanza, è semplicemente un riconfezionamento della complementarità. Né è paradossale scoprire che gli eventi distanti siano correlati. Dopotutto, se metto ciascun membro di un paio di guanti in una scatola e li spedisco ai lati opposti della terra, non dovrei sorprendermi che, guardando dentro una scatola, posso determinare la manualità del guanto nell’altra. Allo stesso modo, in tutti i casi noti le correlazioni tra una coppia di EPR devono essere impresse quando i suoi membri sono vicini, sebbene naturalmente possano sopravvivere alla separazione successiva, come se avessero dei ricordi. Ancora una volta, la particolarità dell’EPR non è la correlazione in quanto tale, ma la sua possibile incarnazione in forme complementari.Daniel Greenberger , Michael Horne e Anton Zeilinger hanno scoperto un altro brillante esempio di entanglement quantistico . Coinvolge tre dei nostri q-on, preparati in uno stato speciale e aggrovigliato (lo stato GHZ). Distribuiamo i tre q-on a tre sperimentatori distanti. Ogni sperimentatore sceglie, indipendentemente e a caso, se misurare la forma o il colore e registra il risultato. L’esperimento viene ripetuto molte volte, sempre con i tre q-on che iniziano nello stato GHZ. Ogni sperimentatore, separatamente, trova risultati massimamente casuali. Quando misura la forma di un q-on, è altrettanto probabile che trovi un quadrato o un cerchio; quando misura il suo colore, sono ugualmente probabili il rosso o il blu. Finora, così banale.Ma più tardi, quando gli sperimentatori si incontrano e confrontano le loro misurazioni, un po ‘di analisi rivela un risultato sorprendente. Chiamiamo forme quadrate e colori rossi “buoni” e forme circolari e colori blu “cattivi”. Gli sperimentatori scoprono che ogni volta che due di loro hanno scelto di misurare la forma ma il terzo colore misurato, hanno scoperto che esattamente 0 o 2 risultati erano ” male “(cioè circolare o blu). Ma quando tutti e tre hanno scelto di misurare il colore, hanno scoperto che esattamente 1 o 3 misure erano malvagie. Questo è ciò che la meccanica quantistica predice, e questo è ciò che viene osservato. Quindi: la quantità di male è pari o dispari? Entrambe le possibilità sono realizzate, con certezza, in diversi tipi di misure. Siamo costretti a rifiutare la domanda. Non ha senso parlare della quantità di male nel nostro sistema, indipendentemente da come viene misurato. In effetti, porta a contraddizioni.