L'entanglement quantistico spiegato in modo semplice

L’entanglement quantistico è uno dei concetti più controintuitivi della fisica moderna, ma anche uno dei più solidi dal punto di vista sperimentale. In poche parole, descrive una situazione in cui due particelle condividono uno stato unico, al punto che le proprietà dell’una risultano strettamente correlate a quelle dell’altra, anche se si trovano molto lontano. In questo articolo vedremo prima di tutto il suo significato, provando a dare una spiegazione semplice dell’entanglement quantistico, chiarendo perché non si tratta di comunicazione istantanea né di fenomeni misteriosi o mentali. Poi entreremo nel merito degli esperimenti che lo hanno dimostrato, tra cui i celebri test basati sulle disuguaglianze di Bell. Infine, analizzeremo perché questo fenomeno è così importante: dalle applicazioni nel quantum computing alla crittografia quantistica, fino al suo impatto sulla nostra comprensione della realtà fisica.

Cos’è l’entanglement quantistico: significato e spiegazione semplice

L’entanglement quantistico è uno dei fenomeni più strani e affascinanti della fisica moderna, il cui significato può essere sintetizzato così: due particelle possono comportarsi come un unico sistema, anche se vengono separate nello spazio.

Per dare una spiegazione semplice dell’entanglement quantistico non bisogna partire dalle formule, ma da un’idea chiave: non sempre la natura descrive gli oggetti come entità indipendenti. In alcuni casi, ciò che conta davvero è lo stato complessivo del sistema.

Quando due particelle entrano in entanglement, non è più corretto descriverle come oggetti con proprietà completamente indipendenti: esiste invece uno stato condiviso e la descrizione fisica riguarda il sistema nel suo insieme, non le singole particelle separatamente.

Come nasce l’entanglement

Ma come fanno due particelle ad entrare in entanglement? Facciamo un passo indietro. Le particelle non “si collegano” a distanza in modo misterioso: l’entanglement (in inglese “intreccio”, “groviglio”) nasce in condizioni fisiche ben precise. Può avvenire, per esempio, quando due particelle:

• vengono generate insieme nello stesso processo fisico (come il decadimento di una particella in due prodotti) 
• oppure interagiscono direttamente tra loro 

In questi processi intervengono leggi che vincolano il sistema in modo tale che non sia più possibile descriverlo come due oggetti indipendenti. Il risultato è uno stato quantistico unico e condiviso.

Quando questo accade la fisica non descrive più “due sistemi distinti”, ma un unico sistema quantistico che contiene entrambe le particelle. Questo significa che le loro proprietà non esistono in modo autonomo prima della misura, ma sono definite solo all’interno della relazione tra le due all’interno dello stesso stato. Quindi, in altre parole, anche se le particelle si separano nello spazio, la descrizione quantistica del sistema rimane unica: non si tratta di due oggetti che restano in qualche modo collegati, ma di un unico stato che continua a descrivere entrambe le parti.

Cosa succede quando si misurano le particelle

Quando si misura una proprietà su una particella, si ottiene sempre un risultato preciso e ben definito. Se due particelle sono entangled - aggrovigliate, intrecciate - la fisica non le descrive più come sistemi completamente separati, ma come un unico sistema quantistico condiviso. Questo significa che alcune loro proprietà non sono definite in modo autonomo prima della misura: ciò che esiste davvero è la relazione tra le due particelle all’interno dello stesso stato quantistico.
Finché non vengono effettuate misurazioni, però, questa correlazione non è direttamente osservabile. È solo nel momento in cui i fisici misurano le proprietà delle due particelle che emerge il comportamento correlato tipico dell’entanglement.

Se una particella restituisce un certo risultato, anche l’altra mostrerà un risultato compatibile con lo stato condiviso del sistema, pure se si trova molto lontano. Ed è proprio confrontando queste misure che si capisce che le particelle sono entangled.

Questo non significa che una particella abbia “inviato” informazioni all’altra nel momento della misura, non c’è un segnale che viaggia da una all’altra, né una comunicazione nascosta.
Quindi le correlazioni non permettono di trasmettere informazioni più velocemente della luce e non sono in conflitto con la relatività, in quanto non esiste alcun trasferimento controllato di informazione tra le particelle.

Entanglement quantistico tra persone 

Qui nasce spesso un’interpretazione impropria. A volte si parla di “entanglement quantistico tra persone” o perfino di “entanglement quantistico dell’amore”, come metafora di un legame invisibile tra individui.

Si tratta, purtroppo, solo di una suggestione narrativa, che non ha alcun riscontro scientifico. Le particelle entangled obbediscono a leggi fisiche molto precise e misurabili, mentre le relazioni umane appartengono a un altro livello di descrizione della realtà. Usare lo stesso concetto per entrambi rischia di confondere due piani completamente diversi.

Entanglement quantistico: gli esperimenti

Per capire davvero l’entanglement quantistico, bisogna osservare cosa accade negli esperimenti reali. I fisici creano coppie di fotoni — cioè particelle della luce — in uno stato entangled e li inviano in direzioni opposte, anche a grandi distanze. A quel punto misurano una loro proprietà, per esempio la polarizzazione, che è quella che indica la direzione in cui oscilla il campo elettrico della luce.

È importante sottolineare che la polarizzazione è solo una delle proprietà misurabili: nelle versioni moderne degli esperimenti si possono usare anche altre grandezze correlate, ma il principio generale resta sempre lo stesso, e cioè misurare una proprietà che può assumere solo alcuni valori ben definiti.
Per semplificare, possiamo immaginare che la polarizzazione possa risultare:

• verticale 
• orizzontale

A prima vista potrebbe sembrare tutto normale: in fondo, se i possibili risultati sono solo due, non potrebbe essere semplicemente un caso? Oppure i fotoni non potrebbero avere già “istruzioni nascoste” decise fin dall’inizio? Ed è esattamente ciò che pensava anche Albert Einstein: il padre della teoria della relatività non accettava l’idea che la realtà quantistica fosse intrinsecamente indeterminata e riteneva che le particelle dovessero possedere proprietà già definite prima della misura. Per questo criticò l’entanglement definendolo una “azione spettrale a distanza” (“spooky action at a distance”).

Il punto è che gli esperimenti reali sono molto più sofisticati di un semplice test “verticale o orizzontale”, in quanto i ricercatori cambiano continuamente l’orientamento degli strumenti di misura:

• a volte misurano la polarizzazione in direzione verticale/orizzontale
• altre volte inclinano i rivelatori a 45°, 30° o altri angoli

Se i fotoni avessero davvero proprietà già fissate in anticipo (cioè “variabili nascoste”), le correlazioni tra i risultati dovrebbero rispettare determinati limiti matematici. Negli anni ‘60 il fisico John Bell riesce a formulare queste previsioni in modo preciso attraverso le cosiddette Disuguaglianze di Bell: gli esperimenti mostrano correlazioni più forti di quelle che sarebbero possibili con semplici “istruzioni nascoste” classiche. In altre parole, i risultati non possono essere spiegati pensando alle particelle come oggetti separati che avevano già deciso tutto in partenza, mentre la meccanica quantistica descrive invece i due fotoni come parti di un unico sistema condiviso, anche dopo che sono stati separati nello spazio.

Perché l’entanglement è importante e a cosa serve

L’entanglement quantistico non è solo una stranezza della fisica: oggi è uno dei fenomeni su cui si basano molte tecnologie quantistiche in fase di sviluppo. Vediamone alcune.

1. Quantum computing: computer che funzionano in modo diverso
   La prima applicazione importante riguarda i computer quantistici. Nei computer tradizionali le informazioni vengono elaborate usando bit che possono valere solo 0 oppure 1. Nei computer quantistici, invece, si usano i qubit, che sfruttano le proprietà della meccanica quantistica, compreso l’entanglement. In pratica, l’entanglement permette a più qubit di “lavorare insieme” come parti di un unico sistema. Questo consente di affrontare alcuni problemi molto complessi in un modo completamente diverso rispetto ai computer normali.
2. Crittografia quantistica: comunicazioni più sicure
   Un altro campo fondamentale è la crittografia quantistica, cioè la sicurezza delle comunicazioni. In questi sistemi, l’entanglement può essere usato per rilevare qualsiasi tentativo di intercettazione. Questo accade perché, nel mondo quantistico, osservare o interferire con le particelle modifica inevitabilmente il loro stato. Di conseguenza, eventuali intrusioni diventano immediatamente visibili, rendendo le comunicazioni molto più sicure.

Perché l'entanglement ha cambiato la fisica moderna

L’importanza dell’entanglement non riguarda però solo la tecnologia. Ha anche cambiato profondamente il modo in cui la fisica interpreta la realtà.

Per secoli siamo stati abituati a pensare agli oggetti come entità separate e indipendenti. L’entanglement mostra invece che, nel mondo quantistico, questa separazione non sempre funziona come immaginiamo. Due particelle possono infatti continuare a comportarsi come parti di un unico sistemaanche quando si trovano molto lontane tra loro.

Ed è proprio questa idea — così distante dall’esperienza quotidiana — che rende l’entanglement quantistico uno dei concetti più rivoluzionari della fisica moderna.