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Come un esperimento da tavolo potrebbe testare il fondamento della realtà
Diagramma sopra l'immagine della nuvola Foto di origine: Unsplash
Ecco un curioso esperimento mentale. Immagina una nuvola di particelle quantistiche che sono entangled, in altre parole, condividono la stessa esistenza quantistica. Il comportamento di queste particelle è caotico. L'obiettivo di questo esperimento è inviare un messaggio quantistico attraverso questo insieme di particelle. Quindi il messaggio deve essere inviato da un lato del cloud e quindi estratto dall'altro.
Il primo passo, quindi, è dividere la nuvola a metà in modo che le particelle sulla sinistra possano essere controllate separatamente da quelle sulla destra. Il passaggio successivo consiste nell'iniettare il messaggio nella parte sinistra della nuvola, dove il comportamento caotico delle particelle lo confonde rapidamente.
Un messaggio del genere può mai essere decodificato?
In un nuovo articolo, Adam Brown di Google in California e un certo numero di colleghi, tra cui Leonard Susskind della Stanford University, il padre della teoria delle stringhe, discutono esattamente di come un tale messaggio possa essere fatto riapparire sorprendentemente.
La sorpresa è cosa succede dopo, dicono. Dopo un periodo in cui il messaggio sembra completamente confuso, si riordina bruscamente e si ricompone in un punto lontano da dove era stato originariamente inserito. Il segnale si è inaspettatamente rifocalizzato, senza che fosse affatto ovvio quale fosse la funzione che fungeva da obiettivo, dicono.
Ma la cosa davvero straordinaria che sottolineano è che un simile esperimento getta luce su uno dei misteri più profondi dell'universo: la natura quantistica della gravità e dello spaziotempo.
Prima qualche spiegazione di fondo. La chiave per comprendere questo esperimento mentale risiede nella natura dei fenomeni emergenti. Brown e colleghi affermano che i sistemi quantistici possono mostrare fenomeni emergenti proprio allo stesso modo dei sistemi ordinari.
Ad esempio, quando due persone parlano tra loro, il fenomeno è difficile da comprendere dal punto di vista della modellazione di ogni singola molecola nell'aria. La stanza in cui parlano potrebbe contenere un miliardo di miliardi di miliardi di molecole, ognuna delle quali si scontra con un'altra ogni decimo di nanosecondo.
La conversazione continua comunque. La comunicazione è possibile nonostante il caos perché il sistema possiede tuttavia modalità collettive emergenti - le onde sonore - che si comportano in modo ordinato, scrivono Brown e i suoi colleghi.
Un fenomeno simile opera a livello quantistico. Ed è questo fenomeno emergente, sostengono Brown e i suoi colleghi, che rifocalizza il messaggio quantistico nell'esempio precedente.
Quando gli effetti quantistici sono importanti, i modelli complessi di entanglement possono dar luogo a tipi qualitativamente nuovi di fenomeni collettivi emergenti, scrivono. Un esempio estremo di questo tipo di emergenza è proprio la generazione olografica di spaziotempo e gravità dall'entanglement, dalla complessità e dal caos.
Ecco perché questo esperimento mentale è oggetto di così tanto interesse. Consente ai fisici di pensare a un semplice esempio di fenomeno quantistico emergente e di come potrebbero crearne e testarne uno in laboratorio.
Allora come potrebbero fare un simile esperimento? Brown e compagni dicono che ci sono diversi modi per affrontarlo. Il primo passo è creare un insieme di stati quantistici entangled che possono quindi essere separati in due insiemi da gestire separatamente.
Un modo per farlo è creare una raccolta di coppie intrecciate note come coppie di campane. Brown e compagni notano che queste coppie sono già state create usando atomi di rubidio e con ioni intrappolati.
Il passo successivo è inserire le informazioni quantistiche in una metà di questi stati quantistici. Il passaggio finale consiste nel controllare l'evoluzione quantistica dell'altra metà degli stati quantistici in un modo che consenta al messaggio di riemergere.
Tuttavia, sono già stati eseguiti esperimenti che realizzano tale rimescolamento quantistico, in cui le informazioni vengono diffuse in un sistema quantistico e successivamente recuperate. In particolare, un gruppo dell'Università del Maryland, College Park, insieme a collaboratori dell'Università della California, Berkeley e del Perimeter Institute of Theoretical Physics di Waterloo, Ontario, ha pubblicato una carta in Natura nel marzo 2019 descrivendo il loro sforzo di successo per fare proprio questo.
Hanno usato un computer quantistico comprendente una catena di nove ioni di itterbio che vengono raffreddati dai laser mentre sono tenuti in una trappola a radiofrequenza. I ricercatori dell'UMD hanno implementato un circuito a sette qubit nel mezzo di sette dei nove ioni. Il primo qubit è stato codificato in tre coppie di qubit, diffondendo le informazioni in esso contenute in sei qubit in totale (uno dei quali era il qubit originale). Hanno quindi misurato il settimo qubit, che era stato accoppiato con il sesto qubit. Con una fedeltà di circa l'80%, il settimo qubit è risultato essere in uno stato quantistico indistinguibile dal primo qubit originale.
L'interpretazione di questo risultato non è semplice, tuttavia il gruppo ha eseguito diversi esperimenti di controllo che, per ragioni tecniche troppo sottili da spiegare in questa sede, hanno confermato la loro affermazione secondo cui le informazioni inizialmente codificate solo nel primo qubit erano veramente delocalizzate nell'intero sistema.
Il teletrasporto indotto dallo scrambling osservato nel nostro esperimento può essere reinterpretato come una simulazione della propagazione di informazioni attraverso un wormhole attraversabile che collega una coppia di buchi neri, osserva l'articolo di Nature.
Tali esperimenti suggeriscono una serie di interessanti possibilità. La capacità di giocare con analoghi a una forma emergente di spaziotempo rende possibile testare alcune idee sulla gravità quantistica.
Brown e compagni sono chiaramente eccitati. Scrivono: La tecnologia per il controllo di complessi sistemi quantistici a molti corpi sta avanzando rapidamente e sembra che siamo all'alba di una nuova era della fisica: lo studio della gravità quantistica in laboratorio.
Rif: arxiv.org/abs/1911.06314 : Gravità quantistica in laboratorio: teletrasporto per dimensione e wormhole attraversabili.
Rettifica: 14 gennaio 2020
Questa storia originariamente diceva: La linea di fondo è che questo tipo di esperimento è al di là dello stato dell'attuale arte quantistica. Ma potrebbe essere possibile nei prossimi anni, data la velocità con cui i fisici stanno sviluppando le loro abilità quantistiche. Questa affermazione non era corretta. Il testo è stato modificato per riflettere a esperimento con ioni intrappolati riportato nel numero del 6 marzo 2019 di Nature che esegue esattamente il tipo di rimescolamento, teletrasporto e decodifica di cui si stava discutendo.
Questa storia è stata ulteriormente modificata rispetto alla versione originale per riflettere il fatto che sebbene il documento di Brown et al. pubblicato il 14 novembre 2019, è sicuramente stimolante, non è il primo articolo a suggerire che gli esperimenti di calcolo quantistico da tavolo possono essere un modo utile e interessante per ottenere informazioni sulla gravità quantistica.
Anche questa storia è stata modificata per chiarezza.
Il MIT Technology Review si rammarica degli errori.