La meccanica quantistica è strana. La teoria, che descrive il funzionamento di minuscole particelle e forze, notoriamente rese Albert Einstein così inquieto che nel 1935 lui e i suoi colleghi affermarono che doveva essere incompleto: era troppo "inquietante" per essere reale.
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Il problema è che la fisica quantistica sembra sfidare le nozioni di senso comune di causalità, località e realismo. Ad esempio, sai che la luna esiste anche quando non la stai guardando: questo è realismo. La causalità ci dice che se si preme un interruttore della luce, la lampadina si illuminerà. E grazie a un limite rigoroso alla velocità della luce, se si preme un interruttore ora, l'effetto correlato non potrebbe verificarsi all'istante a un milione di anni luce di distanza in base alla località. Tuttavia, questi principi si rompono nel regno quantico. Forse l'esempio più famoso è l'entanglement quantistico, che afferma che le particelle sui lati opposti dell'universo possono essere intrinsecamente collegate in modo da condividere immediatamente le informazioni, un'idea che ha fatto schernire Einstein.
Ma nel 1964, il fisico John Stewart Bell dimostrò che la fisica quantistica era in realtà una teoria completa e praticabile. I suoi risultati, ora chiamati Teorema di Bell, dimostrarono efficacemente che le proprietà quantistiche come l'entanglement sono reali quanto la luna, e oggi i comportamenti bizzarri dei sistemi quantistici vengono sfruttati per l'uso in una varietà di applicazioni del mondo reale. Ecco cinque dei più intriganti:
Un orologio allo stronzio, presentato da NIST e JILA a gennaio, manterrà l'ora esatta per i prossimi 5 miliardi di anni. (Il gruppo Ye e Brad Baxley, JILA) Orologi ultra precisi
Il cronometraggio affidabile è molto più di una semplice sveglia mattutina. Gli orologi sincronizzano il nostro mondo tecnologico, mantenendo in linea cose come i mercati azionari e i sistemi GPS. Gli orologi standard usano le oscillazioni regolari di oggetti fisici come pendoli o cristalli di quarzo per produrre i loro "tick" e "tock". Oggi, gli orologi più precisi al mondo, gli orologi atomici, sono in grado di utilizzare i principi della teoria quantistica per misurare il tempo. Monitorano la frequenza di radiazione specifica necessaria per far saltare gli elettroni tra i livelli di energia. L'orologio a logica quantistica presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) in Colorado, in Colorado, perde o guadagna solo un secondo ogni 3, 7 miliardi di anni. E l'orologio al stronzio NIST, presentato all'inizio dell'anno, sarà così preciso per 5 miliardi di anni, più a lungo dell'attuale era della Terra. Tali orologi atomici super sensibili aiutano la navigazione GPS, le telecomunicazioni e il rilevamento.
La precisione degli orologi atomici dipende parzialmente dal numero di atomi utilizzati. Tenuti in una camera a vuoto, ogni atomo misura in modo indipendente il tempo e tiene d'occhio le differenze locali casuali tra se stesso e i suoi vicini. Se gli scienziati stipano 100 volte più atomi in un orologio atomico, diventano 10 volte più precisi, ma c'è un limite al numero di atomi che puoi spremere. Il prossimo grande obiettivo dei ricercatori è usare con successo l'entanglement per migliorare la precisione. Gli atomi intrecciati non si preoccuperebbero delle differenze locali e misurerebbero invece solo il passare del tempo, riunendoli effettivamente come un singolo pendolo. Ciò significa che l'aggiunta di 100 volte più atomi in un orologio impigliato lo renderebbe 100 volte più preciso. Gli orologi intrecciati potrebbero persino essere collegati per formare una rete mondiale che misurerebbe il tempo indipendentemente dalla posizione.
Gli osservatori avranno difficoltà a incidere sulla corrispondenza quantistica. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Codici non crackabili
La crittografia tradizionale funziona utilizzando le chiavi: un mittente utilizza una chiave per codificare le informazioni e un destinatario ne utilizza un'altra per decodificare il messaggio. Tuttavia, è difficile rimuovere il rischio di intercettazione e le chiavi possono essere compromesse. Questo può essere risolto usando una distribuzione quantistica potenzialmente infrangibile (QKD). In QKD, le informazioni sulla chiave vengono inviate tramite fotoni polarizzati casualmente. Ciò limita il fotone in modo che vibri in un solo piano, ad esempio su e giù o da sinistra a destra. Il destinatario può utilizzare i filtri polarizzati per decifrare la chiave e quindi utilizzare un algoritmo scelto per crittografare in modo sicuro un messaggio. I dati segreti vengono comunque inviati sui normali canali di comunicazione, ma nessuno può decodificare il messaggio se non hanno la chiave quantica esatta. È difficile, perché le regole quantistiche impongono che la "lettura" dei fotoni polarizzati cambierà sempre i loro stati e qualsiasi tentativo di intercettazione avviserà i comunicatori di una violazione della sicurezza.
Oggi aziende come BBN Technologies, Toshiba e ID Quantique utilizzano QKD per progettare reti ultra-sicure. Nel 2007 la Svizzera ha provato un prodotto ID Quantique per fornire un sistema di voto a prova di manomissione durante le elezioni. E il primo bonifico bancario con QKD aggrovigliato è andato avanti in Austria nel 2004. Questo sistema promette di essere altamente sicuro, perché se i fotoni fossero impigliati, qualsiasi modifica ai loro stati quantici apportata dagli interlopers sarebbe immediatamente evidente a chiunque monitorasse il portamento chiave particelle. Ma questo sistema non funziona ancora su grandi distanze. Finora, i fotoni aggrovigliati sono stati trasmessi su una distanza massima di circa 88 miglia.
Primo piano di un D-Wave Un chip. (D-Wave Systems, Inc.) Computer super potenti
Un computer standard codifica le informazioni come una stringa di cifre binarie o bit. I computer quantistici potenziano la potenza di elaborazione perché usano bit quantici o qubit, che esistono in una sovrapposizione di stati - fino a quando non vengono misurati, i qubit possono essere contemporaneamente "1" e "0".
Questo campo è ancora in fase di sviluppo, ma ci sono stati passi nella giusta direzione. Nel 2011, D-Wave Systems ha rivelato il D-Wave One, un processore da 128 qubit, seguito un anno dopo dal D-Wave Two da 512 qubit. La società afferma che si tratta dei primi computer quantistici disponibili in commercio al mondo. Tuttavia, questa affermazione è stata accolta con scetticismo, in parte perché non è ancora chiaro se i qubit di D-Wave siano intrecciati. Gli studi pubblicati a maggio hanno trovato prove di entanglement ma solo in un piccolo sottoinsieme dei qubit del computer. C'è anche incertezza sul fatto che i chip mostrino una velocità quantica affidabile. Tuttavia, la NASA e Google si sono uniti per formare il Quantum Artificial Intelligence Lab basato su una D-Wave Two. E gli scienziati dell'Università di Bristol lo scorso anno hanno collegato uno dei loro tradizionali chip quantici a Internet in modo che chiunque abbia un browser web possa imparare la codifica quantistica.
Tenendo d'occhio l'entanglement. (Ono et al., Arxiv.org) Microscopi migliorati
A febbraio un team di ricercatori dell'Università giapponese di Hokkaido ha sviluppato il primo microscopio al mondo potenziato dall'entanglement, utilizzando una tecnica nota come microscopia a contrasto di interferenza differenziale. Questo tipo di microscopio emette due raggi di fotoni su una sostanza e misura il modello di interferenza creato dai raggi riflessi, il modello cambia a seconda che colpiscano una superficie piana o irregolare. L'uso di fotoni aggrovigliati aumenta notevolmente la quantità di informazioni che il microscopio può raccogliere, poiché la misurazione di un fotone aggrovigliato fornisce informazioni sul suo partner.
Il team di Hokkaido è riuscito a immaginare una "Q" incisa che si trovava a soli 17 nanometri sopra lo sfondo con una nitidezza senza precedenti. Tecniche simili potrebbero essere utilizzate per migliorare la risoluzione di strumenti di astronomia chiamati interferometri, che sovrappongono diverse onde di luce per analizzare meglio le loro proprietà. Gli interferometri vengono utilizzati nella caccia ai pianeti extrasolari, per sondare le stelle vicine e per cercare increspature nello spazio-tempo chiamate onde gravitazionali.
Il pettirosso europeo può essere un quanto naturale. (Andrew Parkinson / Corbis) Bussole Biologiche
Gli umani non sono i soli a fare uso della meccanica quantistica. Una teoria di base suggerisce che uccelli come il pettirosso europeo usano l'azione spettrale per rimanere in pista quando migrano. Il metodo prevede una proteina sensibile alla luce chiamata criptocromo, che può contenere elettroni intrappolati. Quando i fotoni entrano nell'occhio, colpiscono le molecole del criptocromo e possono fornire abbastanza energia per romperle, formando due molecole reattive, o radicali, con elettroni spaiati ma ancora intrappolati. Il campo magnetico che circonda l'uccello influenza la durata di questi radicali criptocromatici. Si ritiene che le cellule nella retina dell'uccello siano molto sensibili alla presenza dei radicali intrecciati, consentendo agli animali di "vedere" efficacemente una mappa magnetica basata sulle molecole.
Questo processo non è ancora del tutto chiaro, e c'è un'altra opzione: la sensibilità magnetica degli uccelli potrebbe essere dovuta a piccoli cristalli di minerali magnetici nei loro becchi. Tuttavia, se l'entanglement è davvero in gioco, gli esperimenti suggeriscono che lo stato delicato deve durare molto più a lungo a volo d'uccello che nei migliori sistemi artificiali. La bussola magnetica potrebbe essere applicabile anche ad alcune lucertole, crostacei, insetti e persino ad alcuni mammiferi. Ad esempio, una forma di criptocromo utilizzata per la navigazione magnetica nelle mosche è stata trovata anche nell'occhio umano, sebbene non sia chiaro se sia o una volta fosse utile per uno scopo simile.
