Scoperta nuova forma di entanglement quantistico nei fotoni

I ricercatori del Technion - Israel Institute of Technology hanno scoperto una nuova forma di entanglement quantistico nei fotoni confinati in sistemi nanometrici. 

La ricerca potrebbe avere un ruolo fondamentale nella futura miniaturizzazione dei componenti per la comunicazione e l'informatica quantistica.

Immaginate due monete lanciate contemporaneamente a grande distanza l'una dall'altra. Anche prima di guardarle, sapete che se una mostrerà "testa", l'altra mostrerà "croce", e viceversa. Questo legame istantaneo, che sembra sfidare le leggi della fisica classica, è una delle meraviglie del mondo quantistico, un fenomeno noto come entanglement quantistico.

È importante sottolineare che questa è una semplificazione utile per illustrare l'idea di correlazione istantanea, ma la vera natura dell'entanglement a livello quantistico è molto più complessa...

Albert Einstein stesso, insieme ai suoi colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen (che in seguito fondò la Facoltà di Fisica al Technion), si imbatté negli scenari dei legami istantanei nel lontano 1935.

L'idea che conoscere lo stato di una particella potesse influenzare istantaneamente lo stato di un'altra, anche a enormi distanze, gli sembrava assurda, tanto da definirla una "spettrale azione a distanza".

Nonostante lo scetticismo iniziale, un ricercatore del Technion (l'istituto israeliano di tecnologia), il professor Asher Peres, dimostrò che questa proprietà poteva essere utilizzata per trasmettere informazioni in modo nascosto, aprendo la strada alla teleportazione quantistica, la base per la comunicazione quantistica. L'importanza dell'entanglement quantistico e delle sue applicazioni, come il calcolo quantistico e la comunicazione quantistica, è stata tale da meritare il Premio Nobel per la Fisica nel 2022 ai professori Alain Aspect, Anton Zeilinger e John Clauser.

Intrappolare i fotoni in spazi strettissimi

Finora, l'entanglement quantistico era stato osservato per diverse proprietà delle particelle, in particolare dei fotoni, le particelle di luce. Queste proprietà includono la direzione di viaggio, la frequenza (il colore) o la direzione in cui punta il loro campo elettrico. Poteva esistere entanglement anche per proprietà più difficili da immaginare, come il momento angolare.

Il momento angolare di un fotone può essere diviso in due componenti: lo spin, legato alla rotazione del campo elettrico del fotone, e l'orbita, legata al suo moto rotatorio nello spazio. Possiamo immaginare questa distinzione in modo simile alla Terra, che ruota sul proprio asse (spin) e orbita attorno al Sole (orbita).

Tuttavia, le cose cambiano quando cerchiamo di confinare i fotoni in strutture molto piccole, di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce. Questo è il campo della nanofotonica. In questi sistemi minuscoli, diventa impossibile separare le diverse proprietà rotazionali, e il fotone viene caratterizzato da una singola grandezza: il momento angolare totale.

Ma perché dovremmo voler intrappolare i fotoni in spazi così ristretti? 

Ci sono due ragioni principali: la prima è la miniaturizzazione dei dispositivi che utilizzano la luce, e la seconda, ancora più importante, è che questa miniaturizzazione aumenta l'interazione tra il fotone e il materiale circostante, aprendo la strada a fenomeni e utilizzi impossibili con fotoni nelle loro "normali" dimensioni.

Credit: Nature.com

Una scoperta sorprendente

Ed è proprio in questo contesto che un gruppo di ricercatori del Technion, guidato dal dottorando Amit Kam e dal dottor Shai Tsesses, ha compiuto una scoperta sorprendente. In uno studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature, hanno scoperto una nuova forma di entanglement quantistico in fotoni confinati in sistemi nanometrici, mille volte più piccoli di un capello.

La cosa straordinaria è che questo entanglement non riguarda le proprietà convenzionali del fotone, come lo spin o la traiettoria, ma unicamente il momento angolare totale.

I ricercatori hanno analizzato il percorso dei fotoni dal momento in cui vengono introdotti nel sistema nanometrico fino a quando escono dal sistema di misurazione, scoprendo che questa transizione arricchisce lo spazio degli stati in cui i fotoni possono esistere.

Attraverso una serie di misurazioni, hanno mappato questi stati, li hanno “intrecciati” utilizzando la proprietà unica dei sistemi nanometrici (il momento angolare totale) e hanno confermato la corrispondenza tra coppie di fotoni, un chiaro segnale di entanglement quantistico.

“Questo lavoro è importante perché rivela un nuovo fenomeno nel mondo microscopico ma soprattutto apre nuove strade nel campo delle tecnologie quantistiche, in particolare per l'elaborazione dell'informazione quantistica su chip – spiega alla redazione della Fondazione Leonardo Giovanni Covone, professore di astrofisica e cosmologia presso l'Università Federico II di Napoli. 

"Nel prossimo futuro potremmo utilizzare il momento angolare totale dei fotoni per la codifica dell'informazione quantistica. Questo approccio potrebbe permettere di codificare più informazioni per fotone e realizzare operazioni quantistiche più complesse in uno spazio più compatto”.

Questa scoperta rappresenta la prima individuazione di un nuovo tipo di entanglement quantistico in più di 20 anni. Ciò potrebbe portare in futuro allo sviluppo di nuovi strumenti per la progettazione di componenti per la comunicazione e il calcolo quantistico basati sui fotoni, consentendone una significativa miniaturizzazione.

Questa ricerca pionieristica svela un nuovo aspetto fondamentale dell'intricato mondo della meccanica quantistica, aprendo orizzonti inaspettati per il futuro delle tecnologie quantistiche su scala nanometrica. 

Il "fantasma" dell'entanglement continua a sorprenderci, promettendo rivoluzioni nel modo in cui comunichiamo e calcoliamo.

Fonte: www.fondazioneleonardo.com