L’entanglement nei sistemi quantistici lontani dall’equilibrio

TRIESTE CITTÀ DELLA CONOSCENZA – L’entanglement è un fenomeno quantistico che caratterizza i sistemi fisici tra loro interagenti; il termine in sé potrebbe essere tradotto con le parole “intreccio non separabile”. In meccanica quantistica, è uno dei fenomeni più difficili da comprendere tanto che Einstein lo ha definito come “un’azione fantasma a distanza”. Su OggiScienza ne abbiamo parlato qui e qui.

Pasquale Calabrese è un ricercatore della SISSA di Trieste che ha recentemente vinto un ERC Consolidator Grant destinato agli studi sul ruolo dell’entanglement nei sistemi quantistici lontani dall’equilibrio. L’abbiamo contattato per saperne di più e approfondire gli obiettivi di questo nuovo progetto dal titolo NEMO – New states of Entangled Matter Out of equilibrium.

Qual è l’aspetto innovativo di NEMO?

La principale novità consiste nel tipo di sistemi quantistici che andremo ad analizzare, ovvero quelli che contengono moltissime particelle. In breve, l’entanglement è la reciproca dipendenza di due o più sistemi fisici anche distanti tra loro. Negli ultimi 5-10 anni si è compreso che non è solamente il fenomeno che dava tanti grattacapi ad Einstein, ma è una relazione che gioca un ruolo fondamentale nella meccanica statistica quantistica. La fisica statistica quantistica è la scienza che si occupa di comprendere le proprietà dei corpi macroscopici, una volta che sono note le interazioni fondamentali tra i componenti della materia. Per esempio, sapendo che gli atomi di ossigeno interagiscono tra di loro in un certo modo, siamo interessati a capire cosa succede a questi atomi quando li mettiamo nella nostra stanza, che proprietà hanno quando sono tutti assieme. Il tutto non in condizioni normali, cioè alla temperatura e pressione che abbiamo nelle nostre stanze, ma in condizioni straordinarie, di temperatura molto bassa o velocità molto alta, in cui la meccanica classica lascia il posto alla meccanica quantistica.

L’entanglement è una caratteristica intrinseca dei sistemi quantistici ed è una conseguenza del fatto che in meccanica quantistica si possono fare delle sovrapposizioni. Nella meccanica classica, una cosa è bianca o nera… o magari anche grigia, ma non può essere contemporaneamente sia bianca sia nera. In meccanica quantistica, l’esempio più famoso di entanglement è quello del povero gatto di Schrödinger, che può essere vivo o morto finché qualcuno non guarda all’interno della scatola.

Nel progetto che stiamo per iniziare, il nostro obiettivo non è tanto cercare di vedere se il gatto è vivo o morto ma cosa succede in un sistema statistico con tantissimi gatti. Ritornando all’ossigeno, sapendo che una mole di gas ha 10²³ atomi vorremmo capire qual è l’entanglement, quindi la correlazione quantistica, tra così tante particelle e descriverne le relazioni. Infine, una volta verificata la presenza dell’entanglement, vorremmo studiarne le sue conseguenze sui sistemi in oggetto.

Che tipo di sistemi volete studiare?

I sistemi in condizioni quantistiche sono molti e si realizzano normalmente in laboratorio, per esempio ci sono gli atomi ultrafreddi. Il mio interesse è verso i sistemi in bassa dimensionalità che si possono studiare in maniera più semplice e hanno effetti quantistici amplificati perché hanno meno stadi a disposizione. Per quanto riguarda le applicazioni pratiche, mi piace ricordare la risposta di Faraday quando gli chiesero a cosa serve l’elettricità. Disse “non saprei ma sono sicuro che tra una ventina d’anni ci metterete una tassa sopra”.

Quali sono le conseguenze dell’entanglement sui sistemi quantistici?

Negli ultimi anni sono stati a lungo studiati i sistemi quantum quench e il ruolo svolto dall’entanglement su di essi. Per quench si intende un cambio repentino dei parametri presenti in un certo sistema: per esempio, un quench di temperatura significa prendere un bottiglia di acqua dal frigorifero e tirarla fuori. La temperatura dell’acqua passa da 6 a 35 gradi, se siamo d’estate; anche se il movimento è fatto in maniera istantanea, il sistema risponde più lentamente alle nuove condizioni. Questo cambiamento repentino dei parametri di temperatura è un quench, nell’esempio è un quench descritto dalla meccanica classica, più precisamente dall’idrodinamica. Se abbiamo a che fare con sistemi quantistici, parliamo di quantum quench: un quench quantistico potrebbe essere quello provocato dall’accensione di un campo magnetico in un sistema a pressione particolarmente alta e temperatura particolarmente bassa. In pratica il quantum quench è il modo più semplice per studiare un sistema quantistico fuori dall’equilibrio termodinamico, cosa che in natura non è l’eccezione ma la regola.

Torniamo al ruolo dell’entanglement: immaginiamo un sistema preparato esattamente a temperatura zero che viene perturbato dall’esterno da un campo magnetico. Il sistema possiede tanta energia in più e, poiché temperatura ed energia sono fenomeni correlati e molto vicini, l’energia vorrebbe far nascere una temperatura. Per molto vicini intendo che la temperatura non è altro che l’energia totale del sistema, è l’energia di eccitazione termica. A causa del quench si dice che il sistema termalizza, ma da dove è venuta fuori la temperatura? Abbiamo capito che è una conseguenza dell’entanglement presente dentro al sistema quantistico: in questo caso entropia ed entanglement diventano la stessa cosa. Se i sistemi nel tempo non si parlassero, quindi se non ci fosse entanglement, la temperatura sarebbe zero.

NEMO si occuperà di comprendere la relazione tra entanglement, termodinamica ed entropia per scoprire l’origine della meccanica statistica in sistemi chiusi. Il progetto prevede un finanziamento di 1,5 milioni di euro e il coinvolgimento, per i prossimi 5 anni a partire da settembre 2018, di ben sei ricercatori. “Oltre a contribuire alla conoscenza di come va il mondo, NEMO porterà un grande arricchimento culturale per tutta la citta (Trieste)”.

Nome: Pasquale Calabrese
Nato a: Isernia il 16/6/1976
Lavoro a: SISSA, Trieste
Formazione: Fisico
Gruppo di ricerca: Fisica Statistica
Cosa amo di più del mio lavoro: La possibilità di lavorare su quello che mi piace e per cui ho studiato
La sfida principale del mio ambito di ricerca: Capire come funziona il mondo (ma non le persone, fortunatamente)

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