Giovedì, 25 gennaio 2018

Rapporto causa-effetto: quando la meccanica quantistica scombina gli schemi

Il gruppo di ricerca Quantum Lab della Sapienza, in collaborazione con le Università di Natal e Rio de Janeiro (Brasile), ha dimostrato come gli effetti della meccanica quantistica siano talmente radicati nella Natura da incidere sui modelli basilari della fisica classica, come le relazioni causa-effetto. Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Physics

“Perché alcune cose succedono e altre no?”, “Cosa determina gli eventi che osserviamo in Natura?”. Queste sono da sempre tra le più ricorrenti e affascinanti domande che si sono posti scienziati e filosofi. Tentare di dare una risposta definitiva resta tutt’oggi una sfida.

Un nuovo studio, condotto dal gruppo di ricerca Quantum Lab della Sapienza in collaborazione con le Università di Natal e Rio de Janeiro in Brasile e pubblicato su Nature Physics, ha dimostrato dal punto di vista teorico e verificato sperimentalmente che, quando entra in gioco, la fisica quantistica può offrire una predizione alternativa alla fisica classica degli schemi causa-effetto.

Secondo il modello classico, attraverso uno schema particolare, come quello dei processi strumentali, è possibile comprendere appieno la relazione causa-effetto tra due eventi. Ad esempio, grazie a tale schema, si può testare l’efficacia di un nuovo farmaco, affermando che è proprio la somministrazione del farmaco “X” (evento 1) a causare la guarigione del paziente “A” (evento 2) e non un fenomeno diverso. Nello specifico, per verificare se alcuni eventi sono descritti da un processo strumentale è possibile effettuare una serie di misure opportune, che consentono di tradurre il problema in precise relazioni matematiche dette “disuguaglianze strumentali”.

Prima dello studio condotto dal gruppo, violare la disuguaglianza strumentale implicava univocamente che gli eventi osservati non fossero compatibili con un processo strumentale. Al contrario, i ricercatori hanno dimostrato che questo paradigma non è necessariamente rispettato in presenza di fenomeni quantistici, come l’entanglement, che rappresenta una delle principali proprietà che segnano la differenza tra la meccanica classica e quantistica.

Il gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica della Sapienza ha osservato questa violazione quantistica realizzando in laboratorio un processo strumentale, nel quale le misure effettuate su due fotoni entangled hanno rappresentato gli eventi dello schema: il tipo di misura da effettuare su un fotone dipendeva direttamente dall’esito della misura sull’altro. La sfida tecnologica affrontata è stata dunque quella di generare una coppia di fotoni entangled e di ritardare la misura sul secondo fotone, in modo da assicurare il tempo necessario per effettuare la misura sul primo. Questo risultato è stato raggiunto mandando il secondo fotone attraverso una fibra ottica lunga circa 100 metri.

L’esperimento, finanziato dall’European Research Council mediante il Grant 3D-QUEST, oltre alle implicazioni legate all’importanza dei processi strumentali in molti ambiti, ha consentito anche di osservare il divario tra il comportamento della fisica classica e quantistica, con una validità maggiore rispetto ad altri test precedentemente utilizzati. “Un processo strumentale – commenta Fabio Sciarrino, supervisore del gruppo – si configura come uno scenario ideale per osservare questa discrepanza, dato che i test finora utilizzati, basati sulle “disuguaglianze di Bell”, presentavano notevoli difficoltà tecniche date dalla necessità di totale assenza di rapporto causa-effetto tra le due misure eseguite. Questa condizione è infatti molto restrittiva e difficile da ottenere, poiché, per essere assicurata, richiede che le due postazioni di misura siano separate da una distanza maggiore di quella che la luce riuscirebbe a percorrere nel tempo intercorso tra le due misure”.

Inoltre, i risultati presentati nell’articolo definiscono un nuovo tipo di violazione delle leggi della fisica classica che supera il concetto di “non-località” quantistica, mettendo in luce la profonda differenza tra teoria classica e quantistica e costituendo un elemento di fondamentale importanza per lo sviluppo di nuove applicazioni nell’ambito della crittografia o della generazione di numeri casuali.

Riferimenti:
Quantum violation of an instrumental test - Rafael Chaves, Gonzalo Carvacho, Iris Agresti, Valerio Di Giulio, Leandro Aolita, Sandro Giacomini, and Fabio Sciarrino - Nature Physics (2017), doi:10.1038/s41567-017-0008-5

Info:
Fabio Sciarrino
Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
T: (+39) 06 4991 3517
E-mail: fabio.sciarrino@uniroma.it

 

 

 

 

 

 

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