Nel mondo della fisica quantistica, gli eventi si svolgono con una velocità sorprendente. Processi che in precedenza si pensava avvenissero in un istante, come l’entanglement quantistico, vengono ora studiati nelle più piccole frazioni di secondo.
È come congelare un momento fugace per rivelare dettagli minuti nascosti in bella vista.
In collaborazione con un team di ricercatori cinesi, il professor Joachim Burgdorfer e colleghi dell’ Istituto di Fisica Teorica Alla TU Wien misuriamo questi momenti fugaci per capire come avviene effettivamente l’entanglement quantistico.
Questi scienziati non si concentrano sull’esistenza dell’entanglement quantistico, ma sono ansiosi di scoprire come inizia: come fanno esattamente due particelle a diventare entanglement quantistici?
Comprendere l’entanglement quantistico
Utilizzando simulazioni computerizzate avanzate, sono stati in grado di intravedere processi che si verificano su scale temporali di attosecondi – miliardesimi di miliardesimo di secondo.
L’entanglement quantistico è un fenomeno strano e meraviglioso in cui due particelle diventano così interconnesse da condividere un unico stato.
È come avere due monete magiche che giacciono sempre sullo stesso lato: lanciane una e l’altra mostrerà misteriosamente lo stesso risultato, anche se sono a chilometri di distanza.
“Si può dire che le particelle non hanno proprietà individuali, ma solo proprietà condivise. Da un punto di vista matematico, sono fortemente legate tra loro, anche se si trovano in luoghi completamente diversi”, spiega il professor Burgdorfer.
Ciò significa che la misurazione di una particella influisce istantaneamente sullo stato dell’altra particella, indipendentemente dalla distanza tra loro.
In termini semplici, le particelle entangled condividono una connessione che consente loro di “parlare” tra loro istantaneamente. Misura una singola particella e saprai immediatamente qualcosa del suo partner.
Questo strano comportamento mette alla prova la nostra comprensione quotidiana di come funziona il mondo, rendendo l’entanglement uno dei concetti più sconcertanti della fisica quantistica.
Esperimenti con laser ed elettroni
Anche se il concetto di entanglement quantistico sembra incomprensibile, non è più oggetto di dibattito se sia vero o no, e non è di questo che tratta questo studio.
“Noi invece siamo interessati a qualcos’altro, ovvero scoprire come si è evoluto questo entanglement e quali effetti fisici hanno un ruolo su scale temporali molto brevi”, afferma la professoressa Eva Brezinova, una delle autori della ricerca. Posta attuale.
Per esplorare questo aspetto, il team ha esaminato gli atomi colpiti da un intenso impulso laser ad alta frequenza. Immagina di puntare una torcia super potente su un atomo.
Uno degli elettroni diventa così eccitato che si libera e vola via. Se il laser è sufficientemente potente, anche un altro elettrone all’interno dell’atomo subisce una scossa, spostandosi a un livello energetico più elevato e cambiando la sua orbita attorno al nucleo.
Quindi, dopo questa intensa esplosione di luce, un elettrone si stacca da solo, lasciandone dietro un altro, ma non proprio uguale a prima.
“Possiamo dimostrare che questi due elettroni sono ora legati in modo quantistico”, afferma il professor Burgdorfer. “Puoi analizzarli solo insieme, puoi effettuare una misurazione su un elettrone e allo stesso tempo sapere qualcosa sull’altro elettrone.”
Quando il tempo diventa sfocato
È qui che le cose si fanno davvero interessanti. Un elettrone che vola via non ha un momento specifico in cui lascia l’atomo.
“Ciò significa che il momento della nascita dell’elettrone che vola via è in linea di principio sconosciuto. “Si potrebbe dire che l’elettrone stesso non sa quando ha lasciato l’atomo”, osserva il professor Burgdorfer.
È in quella che viene chiamata sovrapposizione quantistica, il che significa che esiste in più stati contemporaneamente.
Ma c’è di più. Il momento in cui un elettrone se ne va è legato allo stato energetico dell’elettrone che rimane indietro.
Se l’elettrone rimanente ha un’energia maggiore, è probabile che l’elettrone in partenza sia partito prima. Se fosse in uno stato energetico più basso, l’elettrone probabilmente se ne andrebbe più tardi, in media dopo circa 232 attosecondi.
Misurare ciò che non può essere misurato
Un totosecondo è così breve che va oltre la capacità di comprensione della maggior parte delle persone. Tuttavia, queste piccole differenze non sono solo teoriche.
“Queste differenze non solo possono essere calcolate, ma anche misurate attraverso esperimenti”, afferma il professor Burgdorfer.
Il team ha ideato un protocollo di misurazione che combina due diversi raggi laser per catturare questo sfuggente tempismo.
Stanno già collaborando con altri ricercatori desiderosi di testare e monitorare questi entanglement ultraveloci in laboratorio.
Perché l’entanglement quantistico è importante?
Comprendere come le forme di entanglement potrebbero avere importanti implicazioni per le tecnologie quantistiche come la crittografia e l’informatica.
Invece di cercare semplicemente di preservare l’entanglement, gli scienziati ora possono studiarne gli inizi. Ciò potrebbe portare a nuovi modi per controllare i sistemi quantistici e migliorare la sicurezza delle comunicazioni quantistiche.
Il viaggio non si ferma qui. Il professor Burgdorfer e il suo team sono entusiasti dei prossimi passi.
“Siamo già in trattative con gruppi di ricerca che vogliono dimostrare tali entanglement ultraveloci”.
Esplorando queste scale temporali molto brevi, non solo osservano gli effetti quantistici, ma stanno ridefinendo il modo in cui comprendiamo il tessuto della realtà.
Entanglement quantistico e futuro
È chiaro che nel mondo quantistico anche gli istanti più brevi contengono una grande quantità di informazioni.
“L’elettrone non salta semplicemente dall’atomo. È un’onda che esce dall’atomo, per così dire, e ci vuole un certo tempo”, spiega Eva Brezhenova.
“È proprio durante questa fase che avviene l’entanglement”, conclude, “e il suo effetto può poi essere misurato con precisione in seguito monitorando i due elettroni”.
Quindi, la prossima volta che sbatti le palpebre, ricorda che in meno di un trilionesimo di quel tempo si svolgono interi eventi quantistici, rivelando segreti che potrebbero cambiare il futuro della tecnologia e la nostra comprensione dell’universo.
Lo studio completo è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica.
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