L'entanglement quantistico distrugge la causalità locale di Einstein: il futuro dell'informatica e della crittografia

Da ETH Zurigo11 maggio 2023

I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno eseguito un test di Bell senza scappatoie con circuiti superconduttori, confermando la meccanica quantistica e smentendo il concetto di causalità locale di Einstein. I risultati aprono nuove possibilità nel campo dell’informatica quantistica distribuita e della crittografia quantistica.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo sono riusciti a dimostrare che oggetti quantomeccanici distanti tra loro possono essere molto più strettamente correlati tra loro di quanto sia possibile nei sistemi convenzionali. Per questo esperimento hanno utilizzato per la prima volta circuiti superconduttori.

Sezione parziale della connessione quantistica lunga 30 metri tra due circuiti superconduttori. Il tubo a vuoto (al centro) contiene una guida d'onda a microonde che viene raffreddata a circa –273°C e collega i due circuiti quantistici. Crediti: ETH Zurigo / Daniel Winkler

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

Un test di Bell si basa su un apparato sperimentale inizialmente concepito come esperimento mentale dal fisico britannico John Bell negli anni '60. Bell voleva risolvere una questione su cui i grandi della fisica avevano già discusso negli anni '30: le previsioni della meccanica quantistica, che sono completamente contrarie all'intuizione quotidiana, sono corrette, oppure i concetti convenzionali di causalità si applicano anche al microcosmo atomico? come credeva Albert Einstein?

Per rispondere a questa domanda, Bell propose di eseguire una misurazione casuale su due particelle intrecciate allo stesso tempo e di 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 lo violeranno.

Una vista all'interno di una sezione della connessione quantistica lunga 30 metri. Una guida d'onda in alluminio (al centro), raffreddata quasi allo zero assoluto, collega i due circuiti quantistici. Diversi strati di schermatura in rame proteggono il conduttore dalle radiazioni termiche. Crediti: ETH Zurigo / Daniel Winkler

All'inizio degli anni '70, John Francis Clauser, a cui l'anno scorso fu assegnato il Premio Nobel per la fisica, e Stuart Freedman effettuarono il primo test pratico di Bell. Nei loro esperimenti i due ricercatori sono riusciti a dimostrare che la disuguaglianza di Bell è effettivamente violata. Ma prima di tutto dovevano fare alcune ipotesi nei loro esperimenti per poterli condurre. Quindi, in teoria, avrebbe potuto ancora essere vero che Einstein avesse ragione a essere scettico nei confronti della meccanica quantistica.

Con il passare del tempo, tuttavia, è possibile che un numero sempre maggiore di queste lacune venga colmato. Alla fine, nel 2015, diversi gruppi sono riusciti a condurre i primi test Bell veramente senza scappatoie, risolvendo così definitivamente la vecchia controversia.

I ricercatori hanno sviluppato il proprio criostato per raffreddare in modo efficiente la connessione quantistica lunga 30 metri. Questo è installato nel mezzo del collegamento quantistico. Crediti: ETH Zurigo / Daniel Winkler

Il gruppo di Wallraff può ora confermare questi risultati con un nuovo esperimento. Il lavoro dei ricercatori dell'ETH pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Nature dimostra che la ricerca su questo argomento non è ancora conclusa, nonostante la prima conferma sette anni fa. Ci sono diverse ragioni per questo. L'esperimento dei ricercatori dell'ETH conferma da un lato che anche i circuiti superconduttori funzionano secondo le leggi della meccanica quantistica, sebbene siano molto più grandi degli oggetti quantistici microscopici come i fotoni o gli ioni. I circuiti elettronici delle dimensioni di diverse centinaia di micrometri, realizzati con materiali superconduttori e funzionanti a frequenze di microonde, sono definiti oggetti quantistici macroscopici.