I ricercatori dell'ETH di Zurigo dimostrano la correlazione quantomeccanica a distanza

Guidati da Andreas Wallraff, professore di fisica dello stato solido, i ricercatori hanno eseguito un test di Bell senza scappatoie per confutare il concetto di "causalità locale" formulato da Albert Einstein in risposta alla meccanica quantistica. Mostrando che gli oggetti della meccanica quantistica che sono distanti tra loro possono essere più fortemente correlati tra loro di quanto sia possibile nei sistemi convenzionali, i ricercatori hanno fornito un'ulteriore conferma per la meccanica quantistica. La particolarità di questo esperimento è che i ricercatori sono stati in grado per la prima volta di eseguirlo utilizzando circuiti superconduttori, che sono considerati candidati promettenti per la costruzione di potenti computer quantistici.

Un test di Bell si basa su una configurazione sperimentale inizialmente concepita come esperimento mentale dal fisico britannico John Bell negli anni '1960. Bell voleva risolvere una questione su cui i grandi della fisica avevano già discusso negli anni '1930: le previsioni della meccanica quantistica, che vanno completamente contro l'intuizione quotidiana, sono corrette o i concetti convenzionali di causalità si applicano anche al microcosmo atomico? come credeva Albert Einstein?

Per rispondere a questa domanda, Bell ha proposto di eseguire una misurazione casuale su due particelle entangled contemporaneamente e confrontarla con la disuguaglianza di Bell. Se il concetto di causalità locale di Einstein è vero, questi esperimenti soddisferanno sempre la disuguaglianza di Bell. Al contrario, la meccanica quantistica prevede che la violeranno.

All'inizio degli anni '1970, John Francis Clauser, che l'anno scorso è stato insignito del Premio Nobel per la fisica, e Stuart Freedman hanno effettuato un primo test pratico di Bell. Nei loro esperimenti, i due ricercatori sono stati in grado di dimostrare che la disuguaglianza di Bell è effettivamente violata. Ma hanno dovuto fare certe ipotesi nei loro esperimenti per poterli condurre in primo luogo. Quindi, in teoria, potrebbe ancora essere vero che Einstein aveva ragione a essere scettico nei confronti della meccanica quantistica.

Nel corso del tempo, tuttavia, molte di queste scappatoie potrebbero essere colmate. Infine, nel 2015, vari gruppi sono riusciti a condurre i primi Bell test veramente senza scappatoie, risolvendo così definitivamente la vecchia disputa.

Il gruppo di Wallraff afferma di poter ora confermare questi risultati con un nuovo esperimento. Il lavoro dei ricercatori dell'ETH pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Natura mostra che la ricerca su questo argomento non è conclusa, nonostante la conferma iniziale di sette anni fa. Ci sono diverse ragioni per questo. Per prima cosa, l'esperimento dei ricercatori dell'ETH conferma che anche i circuiti superconduttori operano secondo le leggi della meccanica quantistica, anche se sono molto più grandi di oggetti quantistici microscopici come fotoni o ioni. I circuiti elettronici di diverse centinaia di micrometri realizzati con materiali superconduttori e funzionanti a frequenze di microonde sono indicati come oggetti quantistici macroscopici.

Inoltre, i test di Bell hanno anche un significato pratico. "I test di Bell modificati possono essere utilizzati in crittografia, ad esempio, per dimostrare che le informazioni vengono effettivamente trasmesse in forma crittografata", spiega Simon Storz, uno studente di dottorato nel gruppo di Wallraff. “Con il nostro approccio, possiamo dimostrare in modo molto più efficiente di quanto sia possibile in altre configurazioni sperimentali che la disuguaglianza di Bell viene violata. Ciò lo rende particolarmente interessante per le applicazioni pratiche.”

Quindi, quando si imposta l'esperimento, è importante trovare un equilibrio: maggiore è la distanza tra i due circuiti superconduttori, più tempo è disponibile per la misurazione e più complessa diventa la configurazione sperimentale. Questo perché l'intero esperimento deve essere condotto in un vuoto vicino allo zero assoluto.

I ricercatori dell'ETH hanno determinato che la distanza più breve per eseguire con successo un test di Bell privo di scappatoie è di circa 33 metri, poiché una particella di luce impiega circa 110 nanosecondi per percorrere questa distanza nel vuoto. Sono pochi nanosecondi in più rispetto a quelli necessari ai ricercatori per eseguire l'esperimento.

Il team di Wallraff ha costruito un'impressionante struttura nei passaggi sotterranei del campus dell'ETH. A ciascuna delle sue due estremità c'è un criostato contenente un circuito superconduttore. Questi due apparecchi di raffreddamento sono collegati da un tubo lungo 30 metri il cui interno è raffreddato a una temperatura appena superiore allo zero assoluto (–273.15°C).

Prima dell'inizio di ogni misurazione, un fotone a microonde viene trasmesso da uno dei due circuiti superconduttori all'altro in modo che i due circuiti si aggrovigliano. I generatori di numeri casuali decidono quindi quali misurazioni vengono effettuate sui due circuiti come parte del test Bell. Successivamente, vengono confrontati i risultati della misurazione su entrambi i lati.

Dopo aver valutato più di un milione di misurazioni, i ricercatori hanno dimostrato con altissima certezza statistica che la disuguaglianza di Bell viene violata in questa configurazione sperimentale. In altre parole, hanno confermato che la meccanica quantistica consente anche correlazioni non locali nei circuiti elettrici macroscopici e di conseguenza che i circuiti superconduttori possono essere entangled su una grande distanza. Ciò apre interessanti possibili applicazioni nel campo del calcolo quantistico distribuito e della crittografia quantistica.

Costruire la struttura ed eseguire il test è stata una sfida, afferma Wallraff. "Siamo stati in grado di finanziare il progetto per un periodo di sei anni con il finanziamento di una sovvenzione avanzata del CER". Il solo raffreddamento dell'intera configurazione sperimentale a una temperatura prossima allo zero assoluto richiede uno sforzo considerevole. "Ci sono 1.3 tonnellate di rame e 14,000 viti nella nostra macchina, oltre a una grande quantità di conoscenze fisiche e know-how ingegneristico", afferma Wallraff. Ritiene che in linea di principio sarebbe possibile costruire strutture che superino allo stesso modo distanze ancora maggiori. Questa tecnologia potrebbe, ad esempio, essere utilizzata per collegare computer quantistici superconduttori a grandi distanze.