Il Nobel per la Fisica a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger
Grazie ai loro studi sui fenomeni quantistici, i tre ricercatori hanno reso possibili importanti progressi nella scienza dell'informazione
Il Nobel per la Fisica 2022 è stato assegnato a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger «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».
Con i loro esperimenti, i tre premiati hanno dimostrato le opportunità che possono derivare dallo studio e dal controllo su particelle che si trovano in uno stato di entanglement. Come suggerisce la parola, letteralmente “essere legato” in inglese, in un sistema con due particelle che si trovano in questa condizione, ciò che accade a una particella determina ciò che accade all’altra, anche se queste due sono molto distanti per influire direttamente l’una sull’altra.
La meccanica quantistica è un territorio estremamente affascinante, complicato, spesso controintuitivo e sempre più studiato dai fisici. Ha grandi potenzialità e i sistemi di particelle con il loro strano comportamento sono visti come una grande opportunità per sviluppare nuovi sistemi, dai computer quantistici a sistemi per migliorare il modo in cui misuriamo le cose alla costruzione di reti più sicure per la trasmissione dei dati.
Le sperimentazioni nel settore si sono concentrate in parte su indagare come in virtù della meccanica quantistica due o più particelle possano esistere in uno stato condiviso, a prescindere da quanto siano distanti tra loro. Questo fenomeno, l’entanglement, è tra i più studiati e dibattuti e ha visto confrontarsi fisici molto famosi come Albert Einstein ed Erwin Schrödinger nel Novecento.
Quando due particelle sono in uno stato di entanglement, se ci si prende la briga di misurare le proprietà di una delle due si può immediatamente determinare l’esito di una equivalente misurazione realizzata sull’altra particella, senza bisogno di andarla a controllare. Non è una cosa molto diversa dal lanciare due palle di colore diverso in due direzioni opposte: vedendo viaggiare verso sinistra quella bianca, sapremo che la destra sta andando nella direzione opposta anche senza osservarla.
Il problema, e forse la cosa più affascinante, è che nella meccanica quantistica gli equivalenti delle due palle nel nostro esempio non hanno uno stato determinabile fino a quando non vengono misurate. Prendendoci qualche licenza, potremmo dire che entrambe sono grigie, fino a quando qualcuno non inizia a occuparsene. A quel punto, in modo del tutto casuale, una delle due diventerà nera o bianca e l’altra farà l’opposto. È quindi difficile capire quale sia il colore di partenza prima dell’osservazione, e viene da chiedersi se non ci sia qualche istruzione interna tale da determinare il colore di ogni palla prima che questo si riveli al momento dell’osservazione.
In una teoria che contempla variabili nascoste, le palle contengono sempre al loro interno l’istruzione sul colore da mostrare quando qualcuno le osserva. La meccanica quantistica dice invece che le palle assumono un determinato colore del tutto casualmente, senza che ci fosse un’istruzione predeterminata. Grazie ai loro esperimenti, i tre fisici premiati oggi hanno fornito dimostrazioni e sfruttato proprio questo secondo caso, confermando un comportamento essenziale della meccanica quantistica.
Prima dei loro studi, per molto tempo i fisici quantistici si erano chiesti se due particelle soggette all’entanglement contenessero alcune variabili nascoste, che determinavano quali risultati dovessero dare in un determinato esperimento. Negli anni Sessanta, John Stewart Bell elaborò un teorema per distinguere tra l’indeterminazione che deriva dalla meccanica quantistica e l’alternativa legata alle istruzioni nascoste che abbiamo visto poco fa, che possiamo definire più precisamente come variabili nascoste. Gli esperimenti hanno permesso di mostrare che la natura si comporta come previsto dalla meccanica quantistica. Nella nostra analogia, quindi, le palle sono grigie e non contengono nessuna informazione segreta: è semplicemente il caso a determinare quale diventa nera e quale bianca nel corso di un esperimento.
Il particolare comportamento dell’entanglement rende possibile lo sviluppo di nuovi sistemi per elaborare, conservare e trasferire le informazioni. Se due particelle in entanglement viaggiano in direzioni opposte e una di loro incontra un’altra particella, in modo tale da stabilire un ulteriore entanglement, si innesca un nuovo stato condiviso. La terza particella perde la propria identità, ma trasferisce le proprietà che aveva in origine alla particella che apparteneva alla coppia di partenza. Questo fenomeno, che abbiamo descritto con grandi semplificazioni, viene descritto come “teletrasporto quantistico” ed è stato osservato da Anton Zeilinger, uno dei tre premiati di oggi, a partire dalla fine degli anni Novanta.
John Clauser lavorò sul teorema di Bell verificandone sperimentalmente alcuni aspetti. Quando fece le proprie misurazioni, notò che queste rientravano nei comportamenti attesi della meccanica quantistica, violando il teorema. Ciò dimostrava che la meccanica quantistica non poteva essere sostituita da una teoria basata sulle variabili nascoste. Fu poi Alain Aspect a elaborare dimostrazioni più raffinate, riducendo alcune condizioni sperimentali che potevano influire sui risultati finali.
Gli esperimenti di Clauser, Aspect e Zeilinger hanno contributo enormemente all’espansione delle conoscenze sulla meccanica quantistica, aprendo nuove opportunità per lo sviluppo di sistemi informatici di nuova generazione. La possibilità di gestire e manipolare gli stati quantistici e le loro numerose proprietà offre la possibilità di creare computer molto più potenti degli attuali, con maggiori capacità di calcolo e di gestione di algoritmi complessi. Possono essere inoltre sfruttati nelle telecomunicazioni, per rendere più affidabili e sicuri i trasferimenti di dati sia con sistemi terrestri, come le reti in fibra ottica, sia tramite le tecnologie satellitari.
Alains Aspect è nato nel 1947 ad Agen, in Francia, ha conseguito un dottorato di ricerca nel 1983 all’Università Paris-Sud ed è docente presso l’Université Paris-Saclay – École Polytechnique, Palaiseau.
John F. Clauser è nato nel 1942 a Pasadena, California, e ha conseguito un dottorato di ricerca nel 1969 alla Columbia University.
Anton Zeilinger è nato nel 1945 a Ried im Innkreis in Austria, ha conseguito un dottorato di ricerca nel 1971 presso l’Università di Vienna ed è docente presso lo stesso ateneo.
