Circuiti quantistici entangled

Ulteriore conferma della meccanica quantistica: Un gruppo di ricerca guidato da Andreas Wallraff, l'ETH Professor of Solid State Physics, è stato in grado di confutare il concetto di "causalità locale", formulato da Albert Einstein in risposta alla meccanica quantistica, utilizzando un cosiddetto test di Bell senza lacune. Sono riusciti a dimostrare che oggetti meccanici quantistici distanti possono essere correlati tra loro in modo molto più forte di quanto sia possibile con i sistemi classici. La particolarità è che i ricercatori di Zurigo sono riusciti a fare questo esperimento per la prima volta con circuiti superconduttori. Questi sono considerati candidati caldi per la costruzione di potenti computer quantistici.

Una vecchia disputa

Il test di Bell si basa su un set-up sperimentale inizialmente ideato come esperimento di pensiero dal fisico britannico John Bell negli anni Sessanta. Bell voleva chiarire una questione su cui i grandi della fisica dell'epoca stavano già discutendo negli anni Trenta: Le previsioni della meccanica quantistica, che vanno completamente contro l'intuizione quotidiana, sono corrette o le idee classiche di causalità, di cui Albert Einstein era convinto, si applicano anche nel microcosmo atomico?

Per rispondere a questa domanda, Bell suggerì di effettuare una misurazione casuale su due particelle entangled nello stesso momento e di verificarla utilizzando la disuguaglianza di Bell. Se il concetto di causalità locale di Einstein è corretto, allora la disuguaglianza di Bell è sempre soddisfatta in questi esperimenti. Al contrario, la meccanica quantistica prevede che la disuguaglianza venga violata.

Gli ultimi dubbi fugati

All'inizio degli anni '70, John Francis Clauser, insignito del Premio Nobel per la Fisica lo scorso anno, e Stuart Freedman effettuarono il primo vero test Bell. Nei loro esperimenti, i due riuscirono a dimostrare che la disuguaglianza di Bell è effettivamente violata. Tuttavia, Clauser e Freedman hanno dovuto fare alcune ipotesi nei loro esperimenti per poter effettuare i test. Teoricamente, si sarebbe potuto comunque affermare che Einstein aveva ragione ad essere scettico nei confronti della meccanica quantistica.

Nel corso del tempo, sono state colmate sempre più lacune, fino a quando, nel 2015, diversi gruppi sono riusciti a realizzare i primi test di Bell veramente privi di lacune, risolvendo così definitivamente l'antica controversia.

Applicazioni promettenti

Il gruppo di Wallraff può ora confermare questi risultati con un nuovo tipo di esperimento. Il lavoro pubblicato dai ricercatori dell'ETH sulla rinomata rivista scientifica "Nature" dimostra che, nonostante la conferma iniziale di sette anni fa, l'argomento non è ancora chiuso. Le ragioni sono molteplici: In primo luogo, l'esperimento dei ricercatori dell'ETH conferma che anche i circuiti superconduttori funzionano secondo le leggi della meccanica quantistica, sebbene siano di dimensioni considerevoli rispetto a oggetti quantistici microscopici come fotoni o ioni. I circuiti elettronici, che hanno dimensioni di diverse centinaia di micrometri, sono costituiti da materiali superconduttori e funzionano a frequenze di microonde, sono anche definiti oggetti quantistici macroscopici.

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 sono effettivamente trasmesse in forma criptata", spiega Simon Storz, dottorando del gruppo di Wallraff. "Con il nostro approccio, possiamo dimostrare che la disuguaglianza di Bell è violata in modo molto più efficiente di quanto sia possibile con altre configurazioni di test. Questo rende il nostro approccio particolarmente interessante per le applicazioni pratiche".

La ricerca di un compromesso

Tuttavia, i ricercatori hanno bisogno di una struttura di prova complessa. Affinché il test di Bell sia davvero privo di scappatoie, i ricercatori devono assicurarsi che nessuna informazione possa essere scambiata tra i due circuiti entangled prima del completamento delle misurazioni quantistiche. Poiché le informazioni possono essere trasmesse al massimo alla velocità della luce, la misurazione deve richiedere un tempo inferiore a quello necessario a una particella di luce per viaggiare da un circuito all'altro.

Quando si imposta l'esperimento, è quindi importante trovare un compromesso: Maggiore è la distanza tra i due circuiti superconduttori, maggiore è il tempo deciso per la misurazione - e più complesso diventa il set-up sperimentale. Questo perché l'intero esperimento deve essere condotto in un vuoto prossimo allo zero assoluto.

I ricercatori dell'ETH hanno stabilito che la distanza più breve per eseguire con successo il test di Bell senza falle è di circa 33 metri: Una particella di luce ha bisogno di circa 110 nanosecondi nel vuoto per coprire questa distanza. Si tratta di pochi nanosecondi in più rispetto a quelli necessari ai ricercatori per realizzare l'esperimento.

30 metri di vuoto

Il team di Wallraff ha costruito una struttura impressionante in uno dei corridoi sotterranei del campus dell'ETH. Ad ogni estremità si trova un criostato contenente un circuito superconduttore. I due apparati di raffreddamento sono collegati da un tubo lungo 30 metri, il cui interno è stato raffreddato a una temperatura appena superiore allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius).

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 siano entangled da quel momento in poi. I generatori casuali decidono quindi quali misure devono essere effettuate sui due circuiti come parte del test di Bell. Nella fase successiva, i risultati delle misure su entrambi i lati vengono confrontati tra loro.

Entanglement su larga scala

L'analisi di oltre un milione di misure mostra che la disuguaglianza di Bell è violata con un'altissima certezza statistica in questa configurazione sperimentale. I ricercatori hanno così potuto confermare che la meccanica quantistica ammette le cosiddette correlazioni non locali anche nei circuiti elettrici macroscopici. I circuiti superconduttori possono quindi essere interconnessi anche a grande distanza. Questo apre interessanti possibilità di applicazione nel campo dell'informatica quantistica distribuita e della crittografia quantistica.

Wallraff ammette che l'Umwelt und Geomatik ha rappresentato una sfida per la costruzione e il collaudo del sistema. "Siamo riusciti a finanziare il progetto in sei anni con i fondi di un ERC Advanced Grant", spiega. Lo sforzo richiesto per raffreddare l'intero impianto sperimentale a una temperatura prossima allo zero assoluto è notevole. "La nostra macchina contiene 1,3 tonnellate di rame e 14.000 viti", spiega Wallraff. "Wallraff è convinto che, in linea di principio, sarebbe possibile costruire sistemi che coprano distanze ancora maggiori nello stesso modo. Sarebbe interessante, ad esempio, collegare computer quantistici superconduttori molto distanti tra loro.