“Procrastinazione quantistica”: un nuovo paradosso per il micromondo

“Procrastinazione quantistica”: un nuovo paradosso per il micromondo

02 novembre 2012

Due diversi esperimenti hanno dimostrato, sfruttando il fenomeno quantistico dell’entanglement, che
il comportamento particellare oppure ondulatorio di un fotone già rivelato può essere determinato
con una successiva misurazione su un secondo fotone, entangled con il primo, con un’apparente
retroattività che mostra ancora una volta la natura paradossale della meccanica quantistica

(red) lescienze.it

Non fare oggi ciò che puoi rimandare a domani: questo ironico adagio viene ripetuto dai pigri, ma
può essere adottato anche dagli indecisi. La possibilità di procrastinare le proprie scelte sembra
ora trovare il proprio contesto naturale nel mondo microscopico, come dimostrano su “Science” due
esperimenti che descrivono la possibilità di realizzare un “procrastinatore quantistico”, che
permette, in un contesto assolutamente specifico, di rimandare la decisione sulla rivelazione di una
particella. I due risultati sono stati ottenuti, rispettivamente, da un gruppo di ricerca francese
guidato da Florian Kaiser e colleghi dell’Università di Nizza, e da un gruppo guidato da Alberto
Peruzzo, dell’Università di Bristol, nel Regno Unito.

Secondo la meccanica quantistica tutte le particelle elementari – e a rigore anche i corpi
macroscopici – hanno una duplice natura, ondulatoria e corpuscolare. Non fanno eccezione ovviamente
i fotoni, i quanti di luce. Uno degli aspetti peculiari di questo fenomeno è che un oggetto
quantistico si comporta come una particella oppure come un’onda a seconda del tipo di esperimento
che lo studia.

Il dispositivo utilizzato negli studi pubblicati ora ha un’impostazione sperimentale piuttosto
vecchia, perché si basa sull’interferometro ideato da Ludwig Mach e Ludwig Zehnder alla fine
dell’Ottocento. Lo schema è semplice: un fascio di luce finemente collimato viene fatto incidere su
uno specchio semiriflettente, che separa il fascio in due parti – quella riflessa dallo specchio e
quella trasmessa attraverso di esso – che poi vengono guidati da specchi lungo due cammini ottici
diversi, fino a ricongiungersi in un secondo specchio semiriflettente. Da qui si dipartono altri due
fasci tra loro ortogonali che giungono infine a due rivelatori.

In una versione moderna dell’esperimento, è possibile utilizzare un solo fotone per volta, e la
probabilità di rivelare il fotone nel primo rivelatore o nel secondo dipende dalla differenza di
fase tra i due fasci introdotta tra i due diversi cammini con uno schermo di vetro. L’aspetto
intrigante di tutta la faccenda è che se l’interferometro di Mach e Zehnder è chiuso – vale a dire
se è presente il secondo specchio – si osserva una figura d’interferenza: il fotone si comporta come
un’onda, che ha percorso simultaneamente i due cammini. Se l’interferometro viene invece aperto,
rimuovendo il secondo specchio, le probabilità di osservare il fotone in uno dei due rivelatori è
del 50 per cento per ciascuno; il fotone quindi si comporta come una particella classica: ha
percorso o il primo cammino o il secondo.

Poiché la decisione di mantenere o togliere il secondo specchio può essere presa dopo che il fotone
ha passato il primo, si crea una situazione paradossale: come fa a sua volta il fotone a “scegliere”
dopo il primo specchio se comportarsi come un’onda o come una particella? Il suo carattere è
determinato solo quando giunge “a destinazione”? È questa in sintesi una delle possibili
realizzazioni del cosiddetto esperimento mentale della scelta ritardata, o retrocausalità, proposto
da John Archibald Wheeler nel 1984.

Due versioni ancora più aggiornate di questo procrastinatore quantistico sono state realizzate dai
gruppi di Kaiser e di Peruzzo che estremizzano il ritardo della “decisione” del fotone, che non sa
ancora come comportarsi quando emerge dall’interferometro. Il risultato è stato ottenuto in entrambi
i casi sfruttando un altro paradossale fenomeno della meccanica quantistica, quello
dell’entanglement. Si tratta di una “fantasmatica azione a distanza” – come la definì Einstein – che
lega due particelle o due stati quantistici opportunamente preparati anche se tra di loro viene
posta una distanza arbitraria. I due stati possono vicendevolmente e istantaneamente influenzarsi
nelle misurazioni, contravvenendo a qualunque criterio di causalità di eventi a velocità finita.

Nei casi di Kaiser e di Peruzzo, l’entanglement viene sfruttato in modo che anche dopo la
rivelazione del primo fotone, il fatto che abbia esibito una natura particellare, oppure
ondulatoria, o ancora una via di mezzo tra le due, dipende dalla misurazione condotta sulla seconda
particella, con un’apparente retroattività.

In conclusione, i due esperimenti di procrastinazione quantistica ritardano di soli pochi
nanosecondi la scelta di esibire un comportamento particellare od ondulatorio. Ma se si potesse
realizzare una memoria quantistica in cui immagazzinare l’entanglement, la decisione potrebbe essere
presa anche il giorno dopo. Quindi perché farlo oggi?

www.sciencemag.org/content/338/6107/637.abstract

www.sciencemag.org/content/338/6107/634.abstract