Un nuovo studio condotto da Igor Pikovski dello Stevens Institute of Technology, Jacob Covey dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign e Johannes Borregaard dell’Università di Harvard suggerisce che le reti quantistiche siano più versatili di quanto si pensasse. Nell’articolo appena pubblicato sulla rivista Prx Quantum, i ricercatori dimostrano che questa tecnologia può essere utilizzata per indagare come la curvatura dello spaziotempo influenza la teoria quantistica. Si tratta del primo test sperimentale di questo genere.
Una rete quantistica di orologi distanti. Gli orologi entangled possono testare come si comporta la teoria quantistica in presenza di uno spaziotempo curvo, come previsto da Einstein, oppure se le nostre teorie attuali si rivelano inadeguate. Crediti: Igor Pikovski
Finora la fisica quantistica ha superato a pieni voti ogni test. Ma il suo comportamento quando entra in gioco la teoria della gravità di Einstein – la relatività generale – è meno chiaro. Nella teoria di Einstein, la gravità non è più una forza, bensì la manifestazione della curvatura dello spaziotempo. Questo porta a effetti unici, come il rallentamento del tempo in prossimità di pianeti o altri corpi dotati di massa: più massa c’è, più evidente è l’effetto. Basti pensare a Gargantua e al Pianeta di Miller, se siete amanti di Interstellar.
Questo vale anche per la Terra, ovviamente: il tempo sotto l’ombrellone in una spiaggia in riva al mare scorre più lentamente che sulla cima dell’Everest. Anche se questo non dovrebbe portarvi a ritenere più furbo trascorrere le vacanze al mare piuttosto che in montagna perché stiamo parlando di pochi microsecondi all’anno.
Il fenomeno è stato misurato e confermato con un’accuratezza straordinaria ed è stato reso popolare da film e romanzi di fantascienza, come per l’appunto Interstellar: chiunque l’abbia visto si ricorderà di quanto siano costate ai protagonisti, in termini di decine di anni, le poche ore trascorse sul Pianeta di Miller. Ma come influisce questa variazione nel flusso del tempo sulla meccanica quantistica? La teoria quantistica, la relatività generale – o entrambe – necessitano forse di una revisione nel punto in cui si incontrano?
Sebbene una teoria completa della gravità quantistica non esista ancora, viene suggerito che i principi della meccanica quantistica potrebbero cambiare in presenza di uno spaziotempo curvo. Tuttavia, esplorare sperimentalmente questa frontiera è stato finora impossibile.
In uno studio precedente apparso il 27 maggio su Physical Review Research, Pikovski e Borregaard hanno dimostrato che i tempi sono maturi per esplorare queste domande, utilizzando le reti quantistiche. In particolare, hanno mostrato come due caratteristiche uniche ma distinte della teoria quantistica e della gravità entrino in gioco contemporaneamente.
Nella teoria quantistica esistono le sovrapposizioni: la materia può esistere non solo in stati ben definiti, ma anche in combinazioni di essi, simultaneamente. L’informatica quantistica sfrutta questa proprietà agendo sui qubit – sovrapposizioni quantistiche degli stati |0> e |1>. Le reti quantistiche permettono di trasmettere questi qubit su grandi distanze. Tuttavia, in prossimità della Terra, questi qubit sono influenzati dalla curvatura dello spaziotempo, visto che lo scorrere del tempo varia a seconda della gravità.
I ricercatori hanno dimostrato che sovrapposizioni di orologi atomici – come se un orologio si trovasse in due posti contemporaneamente o stesse segnando due tempi diversi allo stesso momento – all’interno di reti quantistiche sarebbero in grado di “percepire” simultaneamente diversi flussi temporali, dovuti alla diversa gravità. In altre parole, se un orologio è in sovrapposizione tra due posizioni con gravità diversa, “vive” due flussi temporali diversi allo stesso tempo.
Questo risultato non è solo teorico: può essere usato per progettare esperimenti reali per testare come la meccanica quantistica si comporta quando entra in gioco la curvatura dello spaziotempo, cioè la gravità. «L’interazione tra teoria quantistica e gravità è uno dei problemi più impegnativi della fisica odierna, ma anche affascinante», afferma Pikovski. «Le reti quantistiche ci aiuteranno a testare questa interazione per la prima volta con esperimenti reali».
In collaborazione con il laboratorio di Covey, Pikovski e Borregaard hanno sviluppato un protocollo concreto di test, mostrando infine come gli effetti quantistici possono essere distribuiti tra i nodi della rete utilizzando i cosiddetti stati W entangled – un tipo specifico di entanglement multiplo, in cui più qubit (almeno 3) sono intrecciati in modo tale che se uno di essi viene misurato, gli altri restano comunque in uno stato entangled – e come viene registrata l’interferenza tra questi sistemi entangled.
Sfruttando le tecnologie avanzate di fisica quantistica di cui oggi disponiamo, che permettono esperimenti impensabili fino a pochi anni fa – come il teletrasporto quantistico (trasferimento dello stato quantistico di una particella a un’altra particella) e le coppie di Bell entangled (stati massimamente entangled di due qubit, chiamati così in onore del fisico John Bell, che formulò un teorema fondamentale sull’entanglement) nelle matrici di atomi – è possibile effettuare un test della teoria quantistica su uno spaziotempo curvo.
I risultati di Pikovski, Covey e Borregaard mostrano che le reti quantistiche non rappresentano solo uno strumento pratico per realizzare una futura Internet quantistica, ma offrono anche opportunità uniche per esplorare aspetti fondamentali della fisica che sarebbero irraggiungibili con le tecnologie classiche. Per la prima volta, diventa possibile testare il comportamento della meccanica quantistica in presenza di uno spaziotempo curvo.
Per saperne di più:
- Leggi su Prx Quantum l’articolo “Probing Curved Spacetime with a Distributed Atomic Processor Clock” di Jacob P. Covey, Igor Pikovski e Johannes Borregaard
Guarda su YouTube il video in italiano di Kamil Laurent su cosa sono i qubits: