Tra le proprietà della materia descritte dalla fisica quantistica, c’è la duplice natura di ogni particella che si comporta al tempo stesso come onda e come corpuscolo e l’esistenza di una profonda correlazione a distanza tra sistemi di particelle microscopiche, come i fotoni. Questi due fenomeni, comunemente noti come “dualismo onda-particella” ed “entanglement” (per il quale Einstein coniò l’espressione “azione spettrale a distanza”), sebbene verificati più volte separatamente, finora non erano mai stati osservati in relazione tra loro.

Lo studio pubblicato su Nature Communications, coordinato a livello sperimentale nel Quantum Information Lab del Dipartimento di Fisica della Sapienza da Fabio Sciarrino e a livello teorico da Rosario Lo Franco del Dipartimento di Energia, ingegneria dell’informazione e modelli matematici dell’Università di Palermo, con altri ricercatori afferenti a università in Cina e Vietnam, ha dimostrato che questi due aspetti fondamentali della meccanica quantistica possono coesistere.

Il gruppo internazionale di fisici, di cui il team Sapienza tutti under 40, è giunto a questi risultati attraverso la realizzazione sperimentale di uno schema teorico che utilizza fotoni polarizzati, cioè particelle di luce con una specifica direzione di oscillazione. Il primo passo del lavoro è stato quello di provare che un singolo fotone può manifestarsi simultaneamente come onda e come particella in una sovrapposizione quantistica dei due comportamenti.

Successivamente i fisici hanno creato e osservato due fotoni tali che il comportamento ondulatorio o particellare dell’uno fosse determinato dal comportamento duale dell’altro, indipendentemente dalla distanza tra i due fotoni. “In sintesi – dice Lo Franco – abbiamo dimostrato che un entanglement a due fotoni nella loro duplice natura onda-particella è possibile. Questo fenomeno, in analogia con la pittoresca espressione di Einstein, può essere quindi denominato ‘azione di dualità onda-particella a distanza’ e si può estendere anche a più fotoni grazie alla semplicità dello schema teorico e all’efficacia dell’apparato sperimentale”.

Infatti, il team della Sapienza ha realizzato un apparato con diversi punti di forza, tra cui un elevato grado di stabilità, una realizzazione modulare che possa essere replicata per un numero crescente di particelle, ed una completa automatizzazione del sistema. “Stiamo adesso lavorando – spiega Sciarrino – in due nuove direzioni. Da un punto di vista concettuale, il nostro scopo è sviluppare teoricamente e sperimentalmente dei quantificatori (“witness”) delle risorse quantistiche. Da un punto di vista tecnologico, stiamo sviluppando una piattaforma integrata basata su circuiti ottici in modo da poter incrementare la complessità degli stati generati, per applicazioni nell’ambito della crittografia e della comunicazione quantistica”.

Riferimenti:

Adil S. Rab, Emanuele Polino, Zhong-Xiao Man, Nguyen Ba An, Yun-Jie Xia, Nicolò Spagnolo, Rosario Lo Franco & Fabio Sciarrino - Entanglement of photons in their dual waveparticle nature, Nature Communications 8, Article number: 915 (2017), DOI: 10.1038/s41467-017-01058-6.

Info:

Fabio Sciarrino
Quantum Information Lab
Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
Email: fabio.sciarrino@uniroma1.it