Quantum Entanglement crea un nuovo stato della materia


Gli spin dell'atomo (mostrati qui come frecce nere) erano collegati attraverso l'entanglement quantistico (nastri), così che se la rotazione di un atomo fosse alterata, anche la rotazione del suo partner entangled cambierebbe. I fisici hanno usato una connessione quantistica Albert Einstein ha chiamato "azione spettrale a distanza" per collegare 500.

Gli spin dell'atomo (mostrati qui come frecce nere) erano collegati attraverso l'entanglement quantistico (nastri), così che se la rotazione di un atomo fosse alterata, anche la rotazione del suo partner entangled cambierebbe.

I fisici hanno usato una connessione quantistica Albert Einstein ha chiamato "azione spettrale a distanza" per collegare 500.000 atomi insieme in modo che i loro destini fossero intrecciati. Gli atomi erano collegati tramite "entanglement", il che significa che un'azione eseguita su un atomo si riverbererà su qualsiasi atomo impigliato con esso, anche se le particelle sono molto distanti. L'enorme nube di atomi impigliati è il primo "singoletto macroscopico", un nuovo stato di materia che è stato previsto ma mai realizzato prima.
L'entanglement è una conseguenza delle strane regole probabilistiche della meccanica quantistica e sembra permettere una misteriosa connessione istantanea su lunghe distanze che sfida le leggi del nostro mondo macroscopico (da qui l'osservazione "spettrale" di Einstein). Un singlet spin è una forma di entanglement in cui gli spin di particelle multiple, il loro momento angolare intrinseco, si sommano fino a 0, il che significa che il sistema ha un momento angolare totale zero.
Gli sperimentatori hanno lavorato con gli atomi di rubidio, che hanno un valore di spin costante di 1. (Tutte le particelle hanno un valore di spin invariato, una caratteristica quantistica che viene sempre espressa in numeri senza unità.) L'unico modo per un gruppo di questi atomi di avere spin che sommano a zero - il requisito per un singoletto di spin - è se la direzione dei loro spin si annulla a vicenda. E quando due o più atomi sono impigliati in un singoletto, i loro giri saranno sempre pari a zero. Ciò significa che, in modo bizzarro, se la direzione della rotazione di un atomo viene alterata, i suoi compagni aggrovigliati modificheranno i loro spin di conseguenza, e istantaneamente, per preservare la somma di spin totale zero.
Impigliare un gruppo così ampio di atomi in questo modo non fu un'impresa facile. In primo luogo, i ricercatori hanno raffreddato gli atomi a 20 milionesimi di un kelvin, una temperatura gelida necessaria a mantenere gli atomi quasi perfettamente immobili; eventuali collisioni tra di loro disturberebbero i loro giri. Quindi, per determinare la rotazione totale degli atomi, i ricercatori hanno eseguito quella che viene chiamata una misurazione quantomondizionata, un mezzo passivo di apprendimento su un sistema quantistico che evita di alterarne lo stato. (Ciò è necessario perché le misure attive dei sistemi quantistici tendono a disturbare i loro soggetti, cambiando irrevocabilmente la cosa stessa misurata).
Per effettuare la misura di non separazione, gli scienziati hanno inviato un impulso di circa 100 milioni di fotoni (particelle di luce) attraverso la nube di atomi. Questi fotoni avevano energie che erano precisamente calcolate in modo tale da non eccitare gli atomi ma piuttosto passare attraverso. I fotoni stessi, tuttavia, furono colpiti dall'incontro. Gli spin degli atomi fungevano da magneti per ruotare la polarizzazione o l'orientamento della luce. Misurando quanto era cambiata la polarizzazione dei fotoni dopo aver attraversato la nuvola, i ricercatori hanno potuto determinare la rotazione totale degli atomi della nuvola.
Sebbene la misurazione non abbia modificato lo stato di rotazione delle particelle, ha avuto l'effetto di coinvolgerne molte tra loro. I ricercatori presumono che gli atomi siano iniziati con spin che puntano in direzioni casuali. In alcuni casi, tuttavia, la misurazione ha mostrato che il loro totale aggiunto fino a zero. Quando ciò accadeva, la misura "bloccata" in quel punto zero netto, in un certo senso, assicurava che le misurazioni successive continuassero a scoprire che lo spin totale era uguale a zero. "La misura stessa ha in qualche modo creato lo stato di singoletto", dice Naeimeh Behbood dell'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona. "Ha creato uno stato entangled da uno stato senza entanglement. In che modo questo è un mistero profondo della meccanica quantistica. "
L'esperimento totale ha coinvolto una nuvola di circa un milione di atomi di rubidio, ma le misurazioni passive non hanno potuto quantificare esattamente quanti di questi atomi sono rimasti impigliati. Tuttavia, dato che lo spin totale del sistema è uguale a zero, i limiti quantici della misurazione garantiscono che almeno la metà di essi - 500.000 atomi - sono stati impigliati. Questo è ancora un numero record per un singlet spin, e la prima volta che interi atomi sono stati impigliati in un sistema macroscopico con spin nullo zero. (Precedenti esperimenti hanno fatto questo ai fotoni). Lo studio è stato pubblicato il 25 agosto in Physical Review Letters . "Trovo un risultato notevole sia per la ricerca fondamentale che applicata", afferma il fisico Marco Koschorreck dell'Università di Bonn, che non è stato coinvolto nello studio. Poiché gli spin entangled degli atomi sono molto sensibili alla manipolazione magnetica, dice, il singlet spin macroscopico potrebbe essere usato per percepire i campi magnetici.
Nel prossimo futuro i ricercatori vorrebbero capire meglio il nuovo stato della materia che hanno creato. Ad esempio, poiché conoscono solo la rotazione totale della loro nuvola, non sanno come singoli atomi contribuiscono ad essa. "Ad esempio, quali atomi sono impigliati?" Chiede Behbood. "Sono i vicini più prossimi [coppie di atomi uno accanto all'altro] o gli atomi più distanti - o è casuale? Gli atomi formano singoletti in coppie o in gruppi più grandi? "Tali domande potrebbero aiutare gli scienziati a capire meglio in che modo la non-demolizione produce intrappolamento e come manipolarlo per scopi pratici. Più comprendiamo l'entanglement, meno diventa "spettrale".