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Un singolo fotone rivela un entanglement quantico di 16 milioni di atomi

La teoria quantistica prevede che un vasto numero di atomi possono essere intrecciati e correlati da una forte relazione quantistica, anche in una struttura macroscopica. Fino ad ora, tuttavia, le prove sperimentali sono state per lo più mancate, anche se i recenti progressi hanno mostrato l’entanglement di 2900 atomi. Gli scienziati dell’Università di Ginevra (UNIGE), in Svizzera, hanno recentemente riorganizzato il loro trattamento dati, dimostrando che 16 milioni di atomi sono stati impigliati in un cristallo di un centimetro. Hanno pubblicato i loro risultati in Nature Communications .

Le leggi della fisica quantistica consentono di rilevare immediatamente quando i segnali emessi vengono intercettati da un terzo. Questa proprietà è fondamentale per la protezione dei dati, in particolare nell’industria di crittografia, che ora può garantire che i clienti siano a conoscenza di ogni intercettazione dei loro messaggi. Questi segnali devono anche essere in grado di percorrere lunghe distanze usando speciali dispositivi a relè noti come ripetitori quantici-cristalli arricchiti di atomi di terra rari e raffreddati a 270 gradi sotto zero (appena tre gradi al di sopra di zero assoluto), i cui atomi sono impigliati e unificati da un molto forte rapporto quantico. Quando un fotone penetra questo piccolo blocco di cristallo, si crea entanglement tra i miliardi di atomi che attraversa. Questo è esplicitamente predisposto dalla teoria ed è esattamente ciò che accade quando il cristallo emette un solo fotone senza leggere le informazioni che ha ricevuto.
È relativamente facile entangolare due particelle: la suddivisione di un fotone genera per esempio due fotoni impigliati che hanno proprietà e comportamenti identici. Florian Fröwis, ricercatore del gruppo di fisica applicato nella facoltà di scienze dell’UNIGE, afferma: “Ma è impossibile osservare direttamente il processo di intreccio tra diversi milioni di atomi poiché la massa di dati necessari per raccogliere e analizzare è così grande”.

Di conseguenza, Fröwis ei suoi colleghi hanno scelto un percorso più indiretto, considerando quali misure potrebbero essere intraprese e quali sarebbero le più appropriate. Essi esaminarono le caratteristiche della luce emessa dal cristallo, analizzando le sue proprietà statistiche e le probabilità dopo due grandi vie: che la luce venga emessa in una sola direzione anziché irradiare uniformemente dal cristallo e che è costituito da un singolo fotone. In questo modo i ricercatori riuscirono a mostrare l’entanglement di 16 milioni di atomi quando le osservazioni precedenti avevano un massimale di poche migliaia. In un lavoro parallelo, gli scienziati dell’Università di Calgary, Canada, hanno dimostrato un intreccio tra molti grandi gruppi di atomi. “Non abbiamo alterato le leggi della fisica”, afferma Mikael Afzelius, membro del gruppo di fisica applicato dal professor Nicolas Gisin. “Ciò che è cambiato è come gestire il flusso dei dati”.

L’entanglement delle particelle è un prerequisito per la rivoluzione quantistica che è all’orizzonte, che influenzerà anche i volumi di dati che circolano sulle reti future, insieme al potere e al modo operativo dei computer quantistici. Tutto, infatti, dipende dal rapporto tra due particelle a livello quantico, una relazione molto più forte delle semplici correlazioni proposte dalle leggi della fisica tradizionale.

Anche se il concetto di entanglement può essere difficile da cogliere, può essere illustrato usando un paio di calzini. Immagina un fisico che indossa sempre due calzini di colori diversi. Quando si trova un calzino rosso sulla caviglia destra, inoltre, si accorge immediatamente che il calzino sinistro non è rosso. C’è una correlazione, in altre parole, tra i due calzini. Nella fisica quantistica emerge una correlazione infinitamente più forte e più misteriosa – entanglement.

Ora, immaginate che ci siano due fisici nei loro laboratori, con una grande distanza che separa i due. Ogni scienziato ha un fotone a a . Se questi due fotoni sono in uno stato entangled , i fisici vedranno correlazioni quantiche non locali, che la fisica convenzionale non è in grado di spiegare. Scopriranno che la polarizzazione dei fotoni è sempre opposta (come con le calze nell’esempio precedente) e che il fotone non ha alcuna polarizzazione intrinseca. La polarizzazione misurata per ogni fotone è pertanto completamente casuale e fondamentalmente indeterminato prima di essere misurata. Questo è un fenomeno non sistematico che si verifica contemporaneamente in due luoghi molto distanti – e questo è esattamente il mistero delle correlazioni quantiche .

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