La fisica quantistica afferma che le particelle possono comportarsi come onde, e viceversa. I tre ricercatori hanno mostrato come il dualismo onda-particella è in realtà il principio d’indeterminazione ‘sotto mentite spoglie’. Credit: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore
Siamo in clima natalizio e allora per i lettori di Media INAF ecco un regalo con sorpresa: la fisica quantistica diventa meno complicata. E’ quanto emerge da uno studio pubblicato su Nature Communications condotto da tre ricercatori che hanno dimostrato come due aspetti peculiari del mondo dei quanti, considerati inizialmente distinti, siano invece due manifestazioni dello stesso fenomeno fisico.
Gli autori, Patrick Coles, Jedrzej Kaniewski e Stephanie Wehner, sono arrivati a questo risultato mentre si trovavano al Centre for Quantum Technologies presso la National University of Singapore scoprendo che il dualismo onda-particella è in realtà il principio di indeterminazione di Heisenberg ‘mascherato’, riducendo così ad uno due misteri del mondo dei quanti.
Questo risultato permette di approfondire la nostra comprensione della fisica quantistica e potrebbe portare nuove idee per quelle applicazioni che si basano sul fenomeno in cui le particelle mostrano una duplice natura, cioè corpuscolare e ondulatoria. «La relazione tra indeterminazione e dualismo onda-particella emerge in maniera quasi naturale quando si considera il problema dell’informazione che si è in grado di ottenere da un sistema fisico», spiega Stephanie Wehner, professoressa associata alla QuTech presso la Delft University of Technology in Olanda. «Il nostro risultato mette in risalto il potere del pensiero della fisica dal punto di vista dell’informazione».
Il dualismo onda-particella consiste nel fatto che un oggetto quantistico si può comportare proprio come un’onda le cui proprietà svaniscono nel momento in cui tentiamo di determinare la sua posizione. Questo fenomeno si può osservare molto semplicemente nell’esperimento della doppia fenditura dove singole particelle, diciamo elettroni, vengono scagliate singolarmente verso uno schermo che funge da bersaglio e che contiene due fenditure. Superate le fenditure le particelle non si accumulano come farebbero gli oggetti classici ma si dispongono seguendo una geometria a forma di strisce (come in figura), come ci si aspetta nel caso dell’interferenza delle onde. Almeno ciò è quello che succede ma se si dà un’occhiata alla fenditura attraverso cui passano le particelle si scopre che l’interferenza scompare.
Il principio di indeterminazione, invece, afferma che è impossibile conoscere simultaneamente coppie di parametri per una data particella. Ad esempio, se conosciamo con una precisione elevata la posizione di una particella, la sua velocità sarà nota con una precisione minima, e viceversa. È una sorta di limite alla conoscibilità della natura, non una affermazione della capacità di eseguire la misura.
Dunque, il lavoro dei tre ricercatori mostra che ciò che si può conoscere del dualismo onda-particella di un sistema fisico è vincolato esattamente nello stesso modo. Il dualismo onda-particella e il principio d’indeterminazione sono stati concetti fondamentali della fisica quantistica sin già dai primi del 900. «Siamo stati guidati dall’istinto e solo da esso abbiamo compreso che ci doveva essere una relazione», dice Patrick Coles post-doc presso l’Institute for Quantum Computing in Waterloo, in Canada.
Coles, Kaniewski e Wehner sono esperti di un formalismo matematico che sta alla base di certe equazioni, note come “relazioni di indeterminazioni entropiche”. I ricercatori hanno trovato che tutta la matematica utilizzata in passato per descrivere il dualismo onda-particella può essere riformulata in termini di queste relazioni. «È stato come aver scoperto una ‘stele di Rosetta’ che connette due linguaggi diversi», dice Coles. «La letteratura sul dualismo onda-particella era un po’ come i geroglifici che adesso abbiamo potuto tradurre nel nostro linguaggio. Abbiamo avuto dei momenti di euforia quando finalmente abbiamo capito cosa era stato fatto».
Poiché le relazioni d’indeterminazione entropiche utilizzate nel “processo di traduzione” sono state usate anche per verificare la sicurezza della crittografia quantistica, cioè quei sistemi di comunicazione che sfruttano le particelle quantistiche, gli autori suggeriscono che il loro lavoro potrebbe essere d’ausilio per elaborare i nuovi protocolli della crittografia.
In alcuni lavori precedenti, Wehner e collaboratori hanno trovato delle relazioni tra il principio d’indeterminazione e altri fenomeni fisici, come ad esempio il principio di non-località quantistica e la seconda legge della termodinamica, perciò il prossimo obiettivo allettante sarà ora quello di studiare come questi singoli tasselli di un puzzle possano incastrarsi in maniera adeguata al fine di comprendere il grande quadro su cui è dipinto quell’edificio che chiamiamo natura.
Nature Communications: Patrick J. Coles, Jedrzej Kaniewski and Stephanie Wehner – Equivalence of wave–particle duality to entropic uncertainty
arXiv: Equivalence of wave-particle duality to entropic uncertainty