Il dibattito sui fondamenti della meccanica quantistica ha una lunga storia. La ripercorriamo con Augusto Garuccio, professore di Storia e Fondamenti della Fisica all’Università di Bari. L’abbiamo raggiunto al convegno Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms and photons che si tiene a Torino dal 24 al 28 maggio nella sede dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM).
INTERVISTE – A questo convegno si parla soprattutto di applicazioni dell’ottica quantistica, partecipano centinaia di studiosi e ricercatori da tutto il mondo. Ma in questo settore, forse più che in altri, la teoria e la pratica sono strettamente connesse.
Effettivamente l’ottica quantistica, che promette applicazioni interessanti per la vita quotidiana entro i prossimi 10-15 anni, ha delle forti connessioni con il ruolo e il significato degli stati cosiddetti “entangled” che sono al centro di una lunga riflessione teorica. Il termine entangled viene dall’inglese e significa “aggrovigliato, intricato” ed è stato proposto da Erwin Schrödinger nel 1935, proprio agli albori della teoria quantistica. È un termine preso dalla vita quotidiana e si usa, per esempio, per i rami di un rampicante che sono difficilmente separabili fra di loro o per un gomitolo di lana ingarbugliato.
In questi settant’anni circa sulla meccanica quantistica si è sviluppato il dibattito che è stato, in alcune occasioni, anche molto aspro… quali sono stati i punti cruciali?
Secondo Albert Einstein e i colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen, la meccanica quantistica è incompleta, cioè non contiene al suo interno tutti gli elementi fisici per una completa descrizione della realtà. Questo non significa che la teoria sia sbagliata ma che rimane inattuata perché necessita di un arricchimento. Alla discussione sulla completezza/incompletezza della teoria ha dato un contributo importantissimo John Bell negli anni Sessanta del secolo scorso. Secondo Bell il punto centrale del dibattito non è la completezza bensì la correttezza. Bisogna capire se la meccanica quantistica è corretta o sbagliata.
Come si fa scoprirlo?
Sono necessari degli esperimenti, che sono stati fatti tra il 1965 e il 1995 e continuano tuttora, per produrre degli stati entangled e misurare su di essi opportune grandezze fisiche correlate. In effetti gli esperimenti hanno mostrato l’esistenza di questi stati: sembra quindi che la meccanica quantistica sia corretta. Per produrre uno stato entangled si utilizzano ora dei cristalli non lineari illuminati con fasci di luce laser. Alcuni fotoni della luce laser all’interno del cristallo si possono dividere in due fotoni che, quando si creano delle condizioni particolari nel cristallo, risultano intrinsecamente correlati fra di loro, cioè entangled. Questi stati si possono creare anche in altri processi fisici come il decadimento di una particella neutra in due particelle cariche o l’emissione di luce in una cascata atomica.
Allora è tutto chiarito? La meccanica quantistica è corretta e si tratta solo di perfezionarla?
La situazione è tuttora complessa. Da una parte la meccanica quantistica non ha ancora dato una spiegazione coerente del processo di misura, e questo problema fondamentale, che è stato trattato a fondo da Ghirardi, Rimini e Weber, rimane sostanzialmente aperto. C’è poi un conflitto tra la meccanica quantistica e la relatività, le due principali teorie della fisica moderna. Da una parte la meccanica quantistica è non locale mentre la relatività si basa sull’ipotesi che ogni interazione avviene in modo locale, data la finitezza della velocità della luce che pone un limite invalicabile alla trasmissione dell’informazione. Questo è un problema concettuale ancora non definito. Qualcuno propone, ad esempio, come soluzione una “non località debole”, dove il sistema è sì non locale, ma noi non siamo in grado di accorgercene.
Infine rimangono ancora delle incertezze sull’interpretazione degli esperimenti basate sui limiti intrinseci degli apparati sperimentali, e in questo ambito si stanno facendo esperimenti sempre più complessi.
Dal punto di vista più applicativo, inoltre, a partire dal 1995, le capacità sperimentali sviluppate in questo settore hanno permesso di immaginare applicazioni degli stati entangled anche nella vita quotidiana. Aree di studio dell’ottica quantistica come la litografia quantistica, la crittografia quantistica, il teletrasporto e i computer quantistici sono settori con risvolti applicativi che potrebbero diventare realtà entro una ventina d’anni. Naturalmente se nel frattempo non uccidono la ricerca di base!
Per fortuna non ci sono solo gli italiani a fare ricerca in questo settore…
È vero, ma gli italiani hanno dato un contributo fondamentale. Sono stati i primi a richiamare l’attenzione su queste problematiche, per esempio con i lavori di Giancarlo Ghirardi del Dipartimento di Fisica teorica di Trieste o di Franco Selleri dell’Università di Bari. Successivamente però Francia, Austria e USA hanno capito la necessità di ulteriori approfondimenti e hanno investito in esperimenti molto sofisticati.
Tra le tante novità che verranno presentate in questo convegno vorrei citarne due: una nuova tecnica che attraverso un sistema ottico permette di fattorizzare numeri molto grandi, anche con 100 o 200 cifre (compito che non si può affrontare con sistemici calcolo tradizionali) e l’avvio dello studio delle correlazione su sciami di muoni cosmici per verificare se anche in questi sistemi di particelle ci siano stati entangled.
