L'esperimento che permetterà agli esseri umani di vedere l'entanglement quantistico

L'entanglement è lo strano fenomeno in cui due particelle quantistiche diventano così profondamente legate da condividere la stessa esistenza. Quando ciò accade, una misurazione su una particella influenza immediatamente l'altra, indipendentemente dalla distanza tra di loro.

L'entanglement ha lasciato perplessi i fisici per la maggior parte di un secolo. All'inizio, la sua stessa esistenza fu contestata. Ma oggi i fisici creano un numero enorme di particelle aggrovigliate nei laboratori di tutto il mondo. Usano regolarmente l'entanglement per inviare messaggi perfettamente crittografati, per studiare il calcolo quantistico e per comprendere meglio la natura di questo profondo fenomeno.

La facilità con cui particelle come i fotoni possono essere intrecciate ha portato alcuni fisici a porre un'interessante domanda aggiuntiva: gli esseri umani saranno mai in grado di vedere l'entanglement?

Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Valentina Caprara Vivoli presso l'Università di Ginevra in Svizzera di alcuni amici. Hanno ideato un esperimento che dovrebbe consentire a un occhio umano di rilevare direttamente l'entanglement. E dicono che ora la scena è pronta per il primo esperimento di questo tipo.

Trovare un modo per un occhio umano di rilevare fotoni entangled sembra semplice. Dopotutto, l'occhio è un rilevatore di fotoni, quindi dovrebbe essere possibile per un occhio sostituire un fotorivelatore in qualsiasi esperimento di rilevamento dell'entanglement standard.

Un tale esperimento potrebbe consistere in una sorgente di coppie di fotoni entangled, ciascuno dei quali viene inviato a un fotorivelatore tramite un'appropriata configurazione sperimentale.

Confrontando l'arrivo dei fotoni a ciascun rivelatore e ripetendo il processo di rilevamento molte volte, è possibile determinare statisticamente se si sta verificando un entanglement.

È facile immaginare che questo esperimento possa essere ripetuto facilmente sostituendo uno dei fotorivelatori con un occhio. Ma si scopre che non è così.

Il problema principale è che l'occhio non può rilevare singoli fotoni. Invece, ogni barra di rilevamento della luce nella parte posteriore dell'occhio deve essere stimolata da una buona manciata di fotoni per attivare un rilevamento. Si pensa che il numero più basso di fotoni che possono fare il trucco sia circa sette, ma in pratica le persone di solito vedono i fotoni solo quando arrivano a centinaia o migliaia.

Anche in questo caso, l'occhio non è un fotorilevatore particolarmente efficiente. Un buon laboratorio di ottica avrà fotorilevatori con un'efficienza superiore al 90%. Al contrario, ai livelli di luce più bassi, l'occhio è efficiente di circa l'8%. Ciò significa che mancano molti fotoni.

Ciò crea un problema significativo. Se un occhio umano deve vedere l'entanglement in questo modo, allora i fisici dovranno entanglement non solo due fotoni ma almeno sette, e idealmente molte centinaia o migliaia di essi.

E questo semplicemente non è possibile con la tecnologia odierna. Nella migliore delle ipotesi, i fisici sono in grado di intrappolare una mezza dozzina di fotoni, ma anche questo è un compito difficile.

Ciò che serve è un modo per amplificare l'effetto di un singolo fotone entangled in modo che possa essere rilevato dall'occhio, ma per farlo senza distruggere l'importantissimo entanglement.

Vivoli e compagni affermano di aver escogitato un trucco che amplifica efficacemente un singolo fotone entangled in molti fotoni che l'occhio può vedere. Il loro trucco dipende da una tecnica chiamata operazione di spostamento, in cui due oggetti quantistici interferiscono in modo che uno cambi la fase di un altro.

Un modo per farlo con i fotoni è con un divisore di raggio. Immagina un raggio di fotoni coerenti da un laser puntato su un divisore di raggio. Il raggio viene trasmesso attraverso lo splitter ma un cambiamento di fase può provocarne la riflessione.

Ora immagina un altro raggio di fotoni coerenti che interferisca con il primo. Questo cambia la fase del primo raggio in modo che venga riflesso anziché trasmesso. In altre parole, il secondo raggio può attivare e disattivare la riflessione.

Fondamentalmente, il raggio di commutazione non deve essere intenso come il raggio principale, deve solo essere coerente. In effetti, un singolo fotone può fare questo trucco per cambiare un raggio più intenso, almeno in teoria.

Questa è la base del nuovo approccio. L'idea è quella di utilizzare un singolo fotone entangled per commutare il passaggio di un raggio più potente attraverso un divisore di raggio. Ed è questo raggio più potente che l'occhio rileva e che conserva ancora la natura quantistica dell'entanglement originale.

Questa è la teoria. Vivoli e compagni affermano che la tecnologia è disponibile per fare questo tipo di esperimento ora. Dicono che il loro lavoro dimostri in modo convincente la possibilità di realizzare il primo esperimento in cui l'entanglement viene osservato con l'occhio.

Tuttavia, questo esperimento sarà difficile da fare. Garantire che l'amplificatore ottico funzioni come affermano sarà difficile, ad esempio.

E anche se lo facesse, registrare in modo affidabile ogni rilevamento nell'occhio sarà ancora più difficile. Il test per l'entanglement è un test statistico che richiede molti conteggi da entrambi i rilevatori. Ciò significa che un individuo dovrebbe partecipare all'esperimento registrando una risposta sì o no per ogni corsa, ripetuta migliaia o decine di migliaia di volte. I volontari dovranno avere molto tempo a disposizione.

Nonostante ciò, è possibile che i primi esperimenti di questo tipo siano già in corso, forse anche nei laboratori di Vivoli e co. Quindi potremmo presto scoprire l'identità della prima persona a vedere l'entanglement.

Naturalmente, esperimenti come questo elimineranno rapidamente il glamour e il romanticismo dalla percezione popolare dell'entanglement. In effetti, è difficile capire perché qualcuno vorrebbe rimanere impigliato con un fotorilevatore nel tempo necessario per fare questo esperimento.

Un modo per aumentare questa motivazione sarebbe modificare l'esperimento in modo che coinvolga due esseri umani. Non è difficile immaginare un popolo che voglia partecipare a un simile esperimento, forse anche con entusiasmo.

Ciò richiederà una configurazione modificata in cui entrambi i rivelatori sono occhi umani, con il loro alto livello di attivazione e la loro bassa efficienza. Non è ancora chiaro se ciò sarà possibile con la configurazione di Vivoli e co.

Solo allora i volontari saranno in grado di rispondere alla domanda che è scomoda per la maggior parte dei fisici. Come ci si sente ad essere invischiati con un altro essere umano?

Data la natura di questo esperimento, la risposta sarà incredibilmente noiosa. Ma come sottolineano Vivoli e compagni nella loro conclusione: è sicuro dire che sondare la visione umana con la luce quantistica è terra incognita. Questo lo rende una sfida attraente di per sé.

Piuttosto!

Rif: arxiv.org/abs/1602.01907 : Cosa ci vuole per vedere l'entanglement?

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