Entanglement quantistico: la 'spaventosa azione a distanza' di Einstein

Einstein la definì con disprezzo «una spaventosa azione a distanza» e non smise mai di considerarla un difetto della fisica quantistica. Eppure l'entanglement quantistico è oggi una delle proprietà più solide e affascinanti della natura, al punto da aver fruttato il Premio Nobel per la Fisica 2022. È il fenomeno per cui due particelle restano legate in modo così intimo che misurare una determina istantaneamente lo stato dell'altra, anche se si trovano a distanze enormi. Sembra fantascienza, ma è scienza verificata in migliaia di esperimenti.

Due particelle, un solo destino

Per capire l'entanglement, immaginiamo di creare una coppia di particelle, per esempio due fotoni, che nascono da uno stesso processo fisico. In meccanica quantistica queste particelle possono finire in uno stato "intrecciato" in cui non hanno proprietà individuali ben definite: esiste solo una descrizione comune della coppia. Finché nessuno le misura, ciascun fotone non possiede, per esempio, una polarizzazione precisa. Ma nell'istante in cui misuriamo uno dei due e otteniamo un risultato, l'altro assume immediatamente lo stato corrispondente, qualunque sia la distanza che li separa.

Il punto cruciale, e contro-intuitivo, è che questa correlazione non è dovuta a una "istruzione" nascosta che le particelle si portano dietro fin dalla nascita. È proprio questo che Einstein, insieme a Boris Podolsky e Nathan Rosen, contestò in un celebre articolo del 1935: secondo loro la teoria quantistica doveva essere incompleta, e da qualche parte dovevano esistere "variabili nascoste" a determinare in anticipo i risultati.

Il test che ha dato torto a Einstein

Per decenni la disputa sembrò puramente filosofica, finché nel 1964 il fisico nordirlandese John Bell trovò un modo per metterla alla prova. Bell dimostrò matematicamente che, se esistessero davvero variabili nascoste locali, le correlazioni tra le due particelle non potrebbero superare un certo limite, espresso da una disuguaglianza. La meccanica quantistica, invece, prevedeva che quel limite potesse essere violato. Per la prima volta una questione metafisica diventava un esperimento.

A trasformare la teoria in misura furono soprattutto tre fisici: John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger. Negli anni Settanta e Ottanta i loro esperimenti con fotoni entangled mostrarono che la disuguaglianza di Bell viene effettivamente violata: la natura si comporta come prevede la quantistica, non come voleva Einstein. Le variabili nascoste locali non esistono. Per questi lavori i tre ricevettero il Premio Nobel per la Fisica 2022, assegnato «per gli esperimenti con fotoni entangled, la verifica della violazione delle disuguaglianze di Bell e la pionieristica scienza dell'informazione quantistica».

Niente messaggi più veloci della luce

A questo punto è naturale chiedersi: se misurando una particella "cambio" istantaneamente l'altra a chilometri di distanza, non sto inviando un segnale più veloce della luce? La risposta, sorprendentemente, è no. Chi osserva una delle due particelle vede soltanto una sequenza di risultati casuali; le correlazioni emergono solo confrontando in seguito i dati dei due osservatori, e questo confronto richiede un canale di comunicazione tradizionale, limitato dalla velocità della luce. L'entanglement non viola dunque la relatività di Einstein: non permette di trasmettere informazione istantaneamente. Esperimenti "senza scappatoie", come quello realizzato nel 2015 dall'Università di Delft e pubblicato su Nature, hanno confermato il fenomeno chiudendo le ultime obiezioni teoriche.

Dalla filosofia alla tecnologia

Quella che era una disputa sui fondamenti della realtà è diventata il motore di una rivoluzione tecnologica. L'entanglement è alla base della crittografia quantistica, che permette di creare chiavi di cifratura intrinsecamente sicure: qualsiasi tentativo di spiare la comunicazione altera lo stato delle particelle e viene immediatamente smascherato. È inoltre una risorsa fondamentale per i computer quantistici, che sfruttano stati intrecciati per eseguire calcoli impossibili per i computer tradizionali, e per il cosiddetto teletrasporto quantistico, che trasferisce lo stato di una particella a un'altra distante.

La Cina ha già usato satelliti per distribuire fotoni entangled tra stazioni a terra separate da oltre mille chilometri, gettando le basi di una futura "internet quantistica". L'entanglement, insomma, è passato dall'essere il bersaglio dello scetticismo di Einstein a fondamento delle tecnologie più avanzate del XXI secolo. La "spaventosa azione a distanza" non solo è reale: stiamo imparando a usarla, trasformando uno dei misteri più profondi della fisica in uno strumento concreto. Resta, sullo sfondo, la sua lezione filosofica: il mondo dei quanti non obbedisce all'intuizione quotidiana, e la realtà, alla sua scala più piccola, è molto più strana di quanto immaginiamo.