Sono tre i laureati Nobel per la fisica di quest’anno: il francese Alain Aspect, l’americano John F. Clauser e l’austriaco Anton Zeilinger. La motivazione ufficiale recita: «Per i loro esperimenti con l’entanglement dei fotoni, che hanno permesso di stabilire la violazione delle disuguaglianze di Bell e i lavori pionieristici nella scienza dell’informazione legata alla quantistica». In pratica hanno gettato le basi della possibilità di utilizzare alcuni fenomeni individuati dalla fisica quantistica per poter realizzare computer quantistici, molto più potenti di quelli che abbiamo a disposizione oggi. Ma le applicazioni potrebbero essere ancora più ampie.

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The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the 2022 #NobelPrize in Physics to Alain Aspect, John F. Clauser and Anton Zeilinger. pic.twitter.com/RI4CJv6JhZ

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 4, 2022

Le particelle entangled

Le loro scoperte sono legate a un fenomeno previsto dalla meccanica quantistica che va sotto il nome di particelle entangled. ‘Entangled’ è un termine inglese che è di difficile traduzione, ma che possiamo intendere come “essere legati” o “aggrovigliati”. Viene utilizzato per descrivere il fatto che se due particelle sono in uno stato entangled, quello che succede all’una determina quello che succede all’altra, anche se si trovano a distanza. Durante la conferenza stampa dell’annuncio del premio, è stato descritto un piccolo esperimento che permette di capire che implicazioni questo fatto possa avere. Immaginiamo una fonte di coppie di particelle che si muovono in direzioni opposte. Le particelle sono identiche in tutto e per tutto tranne per una proprietà, lo spin, che può essere solo positivo o negativo: se una particella della coppia è negativa, l’altra è positiva, e viceversa.

Rappresentazione delle due ipotesi a confronto (Immagine: Nobel Prize Foundation)

Ora, immaginiamo che due persone stiano raccogliendo queste particelle e si segnino il loro valore di spin, che sarà un sequenza casuale di + e -. Confrontando i loro registri, però, i due osservatori non potranno che constatare che ogni volta che l’uno ha registrato un +, l’altro ha registrato un -. La cosa davvero bizzarra è che se per qualche motivo una particella dovesse cambiare il proprio valore di spin, anche trovandosi a moltissima distanza dalla sua “sorellina” entangled, anche quest’ultima cambierà il valore di spin. Questo è il senso delle coppie di particelle entangled. Ma dobbiamo pensare che invece di coppie si possano avere anche gruppi più grandi di particelle entangled, legate tra di loro.

Radici profonde

Il fenomeno dell’entanglement è noto ai fisici fin dai primi anni del Novecento, quando si è compiuta la rivoluzione della fisica quantistica a opera di scienziati come Niels Bohr, Erwin Schrodinger e Albert Einstein. Tra di loro si svilupparono anche accese discussioni a riguardo, perché un aspetto ancora più bizzarro della fisica quantistica implica che, se prendiamo le nostre particelle con lo spin positivo e negativo, in realtà queste hanno uno stato indeterminato fino a quando non vado a misurarlo. La domanda è quindi: ma all’origine, quindi che valore di spin avevano? Secondo la meccanica quantistica, le particelle assumono un valore casuale quando, appunto, si va a misurarlo. Ma un’ipotesi alternativa è che ci potesse essere una qualche variabile nascosta che determini il valore di spin delle particelle.

Negli anni Sessanta del Novecento, lo scienziato John Bell scrisse un teorema che doveva permettere di distinguere tra le due opzioni: l’indeterminatezza della meccanica quantistica o l’ipotesi delle variabili nascoste. I tre ricercatori premiati nel 2022 hanno dimostrato che questa seconda ipotesi non è vera e che la meccanica quantistica è sufficiente a spiegare il comportamento delle particelle entangled.

Gli esperimenti

John Clauser ha sviluppato le idee di John Bell, realizzando un esperimento pratico. I risultati erano a favore della meccanica quantistica, violando chiaramente la disuguaglianza di Bell menzionata nella motivazione del premio. Ciò significava che la meccanica quantistica non può essere sostituita da una teoria che utilizza variabili nascoste.

Alcune scappatoie erano però rimaste dopo l'esperimento di John Clauser. È stato Alain Aspect a sviluppare la configurazione sperimentale in grado di colmare la mancanza. È stato in grado di cambiare le impostazioni di misurazione dopo che una coppia entangled aveva lasciato la sua sorgente, quindi l'impostazione esistente al momento dell'emissione non poteva influire sul risultato.

Utilizzando strumenti raffinati e lunghe serie di esperimenti, Anton Zeilinger iniziò a utilizzare stati quantistici entangled. Tra le altre cose, il suo gruppo di ricerca ha dimostrato un fenomeno chiamato teletrasporto quantistico, che consente di spostare uno stato quantistico da una particella a una a distanza.

La nascita della quantum information

I fenomeni legati all’entanglement possono essere sfruttati per costruire computer quantistici, in grado di risolvere problemi molto più complessi di quelli che possono essere elaborati dai supercomputer che si basano sulla tecnologia attuale. Problemi di questo livello di complessità possono essere la costruzione di un modello del comportamento di tutti gli atomi che compongono una molecola, oppure riuscire a modellizzare il traffico di centinaia di rotte di navi in un tratto di mare. Ma l’entanglement delle particelle può essere sfruttato anche per trasmettere a distanza informazioni in un modo estremamente sicuro, praticamente a prova di qualsiasi hacker.