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DI GIUSEPPE DONATIELLO*

A COLLOQUIO CON ADRIANO GHEDINA, DIRETTORE DEL TNG IL FUTURO ARRIVA DAI QUASAR

L’ESPERIMENTO DI ENTANGLEMENT CONDOTTO AL TELESCOPIO NAZIONALE GALILEO VALE UN PREMIO NOBEL E APRE LA STRADA AI COMPUTER QUANTISTICI

» Il Telescopio Nazionale Galileo (Tng), con uno specchio di 3,58 m, è il più grande telescopio italiano, inaugurato nel 1998 sulla sommità dell’isola di San Miguel de La Palma, alle Canarie.

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Alain Aspect dell’Università di Paris-Saclay e dell’École Polytechnique, John F. Clauser di JF Clauser & Assoc. e Anton Zeilinger dell’Università di Vienna sono stati insigniti del Premio Nobel 2022 per la Fisica. La motivazione della Reale Accademia Svedese delle Scienze è “per esperimenti con fotoni entangled, che stabiliscono la violazione delle disuguaglianze di Bell e pionieri della scienza dell’informazione quantistica”. La meccanica quantistica sfugge alla comune esperienza con tratti che appaiono tuttora misteriosi. Uno dei più notevoli è la possibilità che due o più particelle esistano nel cosiddetto stato entangled (“correlato”). Si tratta di particelle create in modo tale che lo stato quantistico di ciascuna particella non possa essere descritto indipendentemente dallo stato dell’altra, a prescindere dalla distanza che le separa. Tali correlazioni sono comprensibili se esistono delle “variabili nascoste”: ogni particella porta una variabile nascosta che determina il suo comportamento uguale all’altra particella, anche a grande distanza. Se non esistono tali variabili nascoste, si deve presumere uno scambio di informazioni istantaneo tra le particelle anche quando sono distanti, in contraddizione con il limite della velocità della luce.

PARADOSSI VERIFICABILI

Nel 1964 il fisico irlandese John Bell (1928-1990) ha dimostrato che se esistono variabili nascoste e non si producono scambi di informazioni istantanee a distanza, allora le correlazioni tra le particelle sono diverse da quelle previste dalla meccanica quantistica. Si tratta delle “disuguaglianze di Bell” a cui fa riferimento la motivazione del Nobel. Chi ha ragione? La meccanica quantistica o l’ipotesi delle variabili nascoste? I tre scienziati premiati nel 2022 hanno ideato e compiuto esperimenti per rispondere a questa domanda. E i risultati ottenuti hanno ripetutamente confermato che ad avere ragione è la meccanica quantistica: non esistono variabili nascoste, anche se eventi distanti tra loro risultano misteriosamente legati. Questi esperimenti non hanno prodotto solo un risultato teorico, ma grazie soprattutto al lavoro condotto da Zeilinger, hanno aperto un nuovo campo di applicazioni tecnologiche. Per esempio, i computer quantistici, che potrebbero fornire le informazioni necessarie per sviluppare nuovi catalizzatori per l’energia pulita, progettare superconduttori ad alta temperatura, scoprire nuovi farmaci e sviluppare reti e comunicazioni cifrate quantistiche. Già nel 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen avevano manifestato le loro perplessità in merito al fenomeno dell’entanglement, ritenuto incompatibile con la teoria della Relatività ristretta. Pensavano che dovesse essere l’approssimazione di una teoria più generale che tenesse conto di tutti gli elementi fisici della realtà, incluse delle “variabili nascoste” all’osservatore, ma in grado di modificare le misure. Secondo i tre scienziati, quando una teoria riesce a produrre un valore con certezza, prima di eseguire una misura o prima di intervenire su un sistema, tale valore esprime un elemento fisico reale e oggettivo. Solo quando una teoria prende in considerazione tutti gli elementi di realtà, allora è ritenuta completa.

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» I vincitori del premio Nobel per la Fisica 2022 per gli studi sull’entanglement quantistico. Da sinistra, Anton Zeilinger,

John F. Clauser e Alain Aspect (sotto).

Tali perplessità sono rimaste concettuali sino al 1964, quando Bell ha proposto che per aggirare il “paradosso EPR” (dalle iniziali di Einstein, Podolsky e Rosen), intervenga un meccanismo locale che infonde alle particelle delle proprietà tali da determinare i risultati delle misurazioni future. Secondo il teorema di Bell, le teorie alternative basate sul principio di località di Einstein predicono, in realtà, una relazione di disuguaglianza, verificabile con misure sperimentali. Esiste quindi una differenza concreta e misurabile tra la meccanica quantistica e le teorie a essa alternative. Bell ha dimostrato che la meccanica quantistica era in grado di produrre corrette previsioni sperimentali fino a una precisione mai raggiunta prima. In tutti gli esperimenti, la disuguaglianza era violata, in ottimo accordo con la meccanica quantistica.

ESPERIMENTI COMPLESSI

Sebbene il lavoro di Bell esortasse gli sperimentatori a investigare i fondamenti della meccanica quantistica, per la maggior parte dei fisici dell’epoca l’argomento non era valutato essenziale. John F. Clauser è stato uno tra i pochi a provarci, insieme a tre colleghi presso l’Università della California a Berkeley, approntando degli esperimenti che, tra la fine degli anni 60 e inizi 70, hanno concretizzato le idee di Bell. I quattro hanno ideato una disuguaglianza correlata che era verificabile con la tecnologia dell’epoca. Nel 1972 hanno condotto un test inviando due fotoni entangled in direzioni opposte verso un set di filtri polarizzatori. I fotoni

attraversavano i filtri o erano bloccati in base all’angolo d’incidenza, producendo un segnale acustico. I tassi di coincidenza misurati hanno superato il limite che poteva essere spiegato dalle teorie con variabili nascoste locali. I risultati supportavano la meccanica quantistica, ma non escludevano del tutto la possibilità di variabili nascoste. Aspect e colleghi hanno perfezionato l’apparato per fugare ogni dubbio, utilizzando generatori migliorati e polarizzatori di fotoni entangled. Nel 1982, su suggerimento dello stesso Bell, le impostazioni di misurazione nei rivelatori sono state rese modificabili durante il percorso delle particelle, variando l’angolo dei filtri in pochi nanosecondi, abbastanza velocemente affinché le informazioni su un filtro raggiungessero e influenzassero quello opposto. Pertanto, l’impostazione che esisteva quando erano state emesse non poteva influenzare il risultato. Tutti gli esperimenti hanno escluso la presenza di variabili nascoste locali. Gli esperimenti di Clauser e Aspect hanno fatto riflettere i teorici sulle applicazioni pratiche delle informazioni codificate negli stati quantistici, soprattutto quelli entangled. Una volta compreso che potevano esserci delle applicazioni pratiche, l’interesse per la meccanica quantistica è cresciuto enormemente. Un’altra intrigante applicazione teorica era il teletrasporto quantistico, che rendeva possibile spostare uno stato quantico da una particella in un’altra a distanza. Nel 1993 si è dimostrato che lo stato di una particella può essere trasferito a un’altra, utilizzando la combinazione di entanglement e la

» Gli Osservatori coinvolti nel Cosmic Bell Experiment, sull’isola di La Palma, Canarie.

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capacità di inviare messaggi classici. Nel 1997 Zeilinger e colleghi hanno eseguito la prima dimostrazione sperimentale del teletrasporto quantistico e dello scambio di entanglement. Nel 2015, sempre il gruppo di Zeilinger ha utilizzato rilevatori che sincronizzavano i fotoni, garantendo che quelli non rilevati non producessero segnali. I rivelatori erano anche abbastanza distanziati da chiudere la scappatoia della località in modo più definitivo rispetto al team di Aspect. Zeilinger e colleghi hanno poi utilizzato la luce proveniente dalle stelle per determinare le misurazioni da eseguire su coppie di fotoni entangled ed escludere la presenza di variabili nascoste con un esperimento a scala astrofisica. Infine, con il Cosmic Bell Experiment, è stata utilizzata la luce proveniente da due lontani quasar, raggiungendo così la scala cosmologica.

IL COSMIC BELL

EXPERIMENT AL TNG

Nell’esperimento con cui sono state ulteriormente confermate le previsioni della meccanica quantistica, favorendo l’assegnazione del Nobel, c’è un contributo italiano. Zeilinger ha utilizzato il William Herschel Telescope (Wht) e il nostro

Telescopio Nazionale Galileo

(Tng), entrambi operativi sul Roque de Los Muchachos nelle Isole Canarie. Le coppie di fotoni correlati sono state generate da un laboratorio mobile installato all’esterno del Nordic Optical Telescope (Not): un fotone è stato inviato a una stazione ricevente vicino al Tng, l’altro a una stazione ricevente simile accanto al Wht. Lì, la polarizzazione individuale

» Vista panoramica dei tre Osservatori.

Al centro il Not in cui era posizionata la sorgente, a sinistra e a destra il Wht e il Tng, presso cui erano dislocati i rivelatori alloggiati in container. In basso, quello posizionato sulla rampa del Tng.

di ciascun fotone entangled è stata misurata come decisa dalle fluttuazioni luminose dal suo rispettivo quasar. “La sfida cruciale nell’esperimento era assicurarsi che la scelta delle misurazioni di polarizzazione su ciascuno dei fotoni entangled fosse fatta completamente indipendente da noi e da qualsiasi ambiente, non importa quanto grande” - ha detto Dominik Rauch, che ha condotto l’esperimento. - “Questa luce, che è completamente indipendente da noi e da quasi tutto il nostro passato, ci ha permesso di utilizzare questi quasar lontani come dei generatori cosmici di numeri casuali”. Lo staff del Tng aveva aiutato il gruppo di Rauch a interfacciare l’esperimento nel fuoco Nasmyth dello strumento e l’installazione della stazione ricevente sul ponte di accesso al telescopio. Abbiamo voluto saperne di più, chiedendo ad Adriano Ghedina, , al tempo coordinatore della struttura tecnica del Tng e dal 1° dicembre 2022 direttore di questo importante centro di ricerca, di raccontarci e spiegarci meglio come si siano svolte le operazioni.

QUAL ERA LO SCOPO

DELL’ESPERIMENTO?

Si trattava di un test della disuguaglianza di Bell a livello cosmico, per dimostrare che l’entanglement esiste e non ci sono fattori nascosti che possono aver determinato a priori il risultato che osserviamo. Cioè che se due fotoni sono entangled c’è una correlazione tra di loro e, quando si misura la polarizzazione di uno, si sa già il

» La squadra davanti al fotometro a due canali montato all’interfaccia Nasmyth del Tng.

Da sinistra: C. Leung, A. Ghedina, D. Rauch, J. Handsteiner, E. Molinari, C. Benn,

A. Zeilinger, A. Hochrainer, M. Cecconi (Ghedina / Inaf-Fgg).

valore della polarizzazione dell’altro. In gergo, si dice che l’esperimento dimostra che “l’entanglement viola il realismo locale”. Finora c’era sempre stata la possibilità che l’esperimento non fosse esente da qualche loophole (“scappatoia”) e che qualche fattore nascosto potesse aver influenzato le misure che si ottengono. Invece, con l’esperimento condotto al Tng si è esclusa questa possibilità fino al 96%. L’esperimento è una ripetizione di un altro che già era stato fatto a Vienna dallo stesso gruppo, usando delle stelle. Stavolta sono andati più a fondo nell’Universo. Due fotoni entangled sono stati sparati da una stazione centrale posta in un container presso il Not verso due stazioni riceventi (in due container presso il Tng e il Wht). Intanto, i due telescopi stavano osservando due quasar in direzioni

opposte e ai confini dell’Universo

(a 9 e 12 miliardi di anni luce di distanza, rispettivamente). I fotoni di queste sorgenti cosmiche servono da generatori casuali: secondo la loro lunghezza d’onda, determinano casualmente se misurare la polarizzazione dell’elettrone che arriva alla stazione ricevente con una direzione di polarizzazione o un’altra. Questa scelta aleatoria nella misura assicura che, se c’e’ stato qualche fattore che ha determinato a priori i risultati, questo deve essersi verificato solo nel primo 4% dell’esistenza dell’Universo, e quindi praticamente mai. Quindi la fisica quantistica funziona e la realtà non è locale. Difficilmente si potrebbe dimostrare questo risultato meglio di così.

PERCHÉ SONO STATI SCELTI IL TNG E IL WHT?

Questi due telescopi si trovano perfettamente in linea con il Not e alla stessa distanza da quest’ultimo, ma uno verso sud-ovest e l’altro verso nord-est. Pertanto, questa era la condizione ideale per fare in modo che due fotoni entangled partissero dal centro in direzioni opposte e raggiungessero il target praticamente allo stesso tempo. Il gruppo di Zeilinger ha installato i fotometri che misuravano la lunghezza d’onda dei fotoni provenienti dal quasar al fuoco Nasmyth del Tng (un RitcheyChrétien f/11). Il Tng puntava il quasar e un filtro dicroico separava a una certa lunghezza d’onda i fotoni rossi e blu dello spettro; a seconda di quale dei due fotometri stesse misurando i fotoni, nella stazione ricevente veniva selezionato un filtro polarizzatore o un altro e questo rendeva la scelta di come effettuare la misura completamente aleatoria. Contemporaneamente, al Wht succedeva lo stesso. L’esperimento si è svolto nelle notti dal 7 al 10 gennaio 2018, ma nelle prime notti non si è fatto niente, perché il tempo era da lupi: freddo umido e tanto vento che ha fatto capovolgere il container della stazione centrale al Not, per fortuna senza rompere niente di vitale. Altre difficoltà tecniche si sono risolte rapidamente, come la necessità di un orologio atomico al rubidio, che abbiamo richiesto a un team di americani che aveva in corso un altro esperimento al Tng.

QUANTE PERSONE

SONO STATE COINVOLTE

NEL’ESPERIMENTO?

Al Tng hanno partecipato gli exdirettori Emilio Molinari, che ha dato l’ok per l’esperimento, ed Ennio Poretti che ha permesso di estendere il tempo disponibile per i test. Come astronomi di supporto ci sono stati Massimo Cecconi e Marco Pedani. Gli operatori di telescopio sono stati Gianni Mainella e Albar Garcia. Massimo Cecconi e io siamo stati i responsabili del setup optomeccanico al telescopio e della logistica di comunicazione via fibre tra il telescopio e la stazione ricevente. E mentre si aspettava che tornasse il cielo sereno, ho avuto l’occasione di conoscere e ascoltare i racconti e gli aneddoti di Anton Zeilinger sugli albori della sua ricerca sulla fisica quantistica. “Questa è la prima volta che la luce in viaggio verso di noi quasi dal confine dell’Universo conosciuto – ha osservato - è stata usata in un esperimento quantistico. I risultati sui fotoni entangled hanno confermato le previsioni della meccanica quantistica”. Veramente, il futuro arriva dai quasar.

*GIUSEPPE DONATIELLO RESPONSABILE DELLA SEZIONE PROFONDO CIELO/UAI, OPERA ATTIVAMENTE ALLO STUDIO DEI FLUSSI STELLARI IN GRUPPI RICERCA INTERNAZIONALI. HA SCOPERTO SEI GALASSIE NANE VICINE, QUATTRO DELLE QUALI PORTANO IL SUO NOME. COVER STORY