Le tecnologie quantistiche rivoluzioneranno l’informatica e le telecomunicazioni attraendo sempre più studenti per i quali è importante pensare metodi che favoriscano l’apprendimento pratico in classe.
Negli ultimi anni, l’interesse per la meccanica quantistica è cresciuto esponenzialmente, spinto dalle sue applicazioni in settori di punta, come computer quantistici, crittografia, sensori ultraprecisi per la geolocalizzazione, orologi atomici. Questa ondata d’innovazione ha avuto risonanza al CES 2025 dove le aziende hanno presentato dispositivi basati su queste tecnologie che stanno gradualmente uscendo dalla sperimentazione per entrare nel mercato globale.
La materia è affascinante, ma difficile a causa dell’alto livello di astrazione e delle profonde implicazioni concettuali, ma è essenziale comprenderne i principi fondamentali per coglierne l’inedito potenziale.
La fisica quantistica è nota per le sue caratteristiche controintuitive, tra cui la sovrapposizione di stati e l’entanglement. Per gli studenti universitari, capire questi concetti richiede non solo teoria, ma anche pratica.
L’entanglement quantistico, il fenomeno per cui due particelle si legano in modo tale che lo stato di una influenza lo stato dell’altra indipendentemente dalla distanza, non può essere spiegato con la fisica classica, ma è centrale per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche.
A differenza della fisica classica che determina l’evoluzione di un sistema a partire dalle condizioni iniziali, la meccanica quantistica fornisce solo la probabilità dei possibili risultati di una misura su un sistema fisico
Nonostante la sua importanza, l’entanglement è stato oggetto di dibattito sin dal celebre articolo firmato da Einstein, Podolsky e Rosen che sostenevano come la descrizione meccanica quantistica di un sistema apparentemente semplice, composto da due particelle, fosse molto probabilmente incompleta, dimostrando che non poteva soddisfare simultaneamente tre criteri di: realtà, località, completezza. La soluzione di EPR per renderla deterministica fu l’introduzione di variabili addizionali nascoste che all’epoca sembrava più un’idea filosofica che empiricamente testabile.
Nel 1964, Bell propose esperimenti per avvalorare che le previsioni della meccanica quantistica non potevano essere spiegate con variabili nascoste soddisfacenti la condizione di località, dette teorie realistiche locali.
Data l’incompatibilità, era necessario realizzare degli esperimenti per verificare quali predizioni fossero corrette, come fatto da Clauser, Horne, Shimony e Holt (CHSH).
Da allora, sono stati condotti numerosi test per verificare le previsioni. Il rilievo di questi risultati è stata ribadito dal Premio Nobel per la fisica, nel 2022, a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger” per gli esperimenti con fotoni entangled che stabiliscono la violazione delle disuguaglianze di Bell, con un ruolo pionieristico nella scienza dell’informazione quantistica.
Un team dell’Università di Barcellona ha progettato due configurazioni sperimentali che consentono di esplorare l’entanglement e le disuguaglianze di Bell con risultati accurati e tempi compatibili con le sessioni di laboratorio.
I professori Bruno Juliá Díaz (del Dipartimento di Fisica Quantistica e Astrofisica) e Martí Duocastella (del Dipartimento di Fisica Applicata) hanno assemblato un’apparecchiatura capace anche di eseguire una tomografia completa di uno stato a due fotoni. Con una semplice operazione, il dispositivo può preparare diversi stati quantistici entangled ed ha migliorato il processo di cattura dei fotoni rispetto ad altri congegni.
Le disuguaglianze di Bell, in particolare la forma CHSH, permettono di distinguere le previsioni della meccanica quantistica da quelle basate su variabili nascoste locali.
Per verificare queste disuguaglianze, si utilizzano coppie di fotoni entangled, generate e misurate con tecniche avanzate di ottica quantistica. L’obiettivo è dimostrare che i risultati degli esperimenti vìolino i limiti imposti dalle teorie classiche, confermando la natura non locale della fisica quantistica.
Le due configurazioni proposte condividono una struttura generale: una fase di produzione dei fotoni entangled seguita da una fase di rilevamento.
Entrambe usano il processo di “spontaneous parametric down-conversion” in cristalli BBO (Beta Bario Borato) per generare coppie di fotoni entangled. Le differenze principali risiedono nel metodo di rilevamento dei fotoni e nella complessità dell’apparato ottico.
1° Schema
Il primo setup, più semplice, impiega due ingressi di un rivelatore a quattro canali (4CD). Dopo la generazione dei fotoni, la loro polarizzazione viene analizzata con una piastra a quarto d’onda (QWP) e un polarizzatore. Questo schema misura il numero di coincidenze tra coppie di fotoni che attraversano entrambi i polarizzatori. Sebbene sia relativamente semplice da allineare e costruire, è meno veloce nelle misurazioni, in quanto fornisce dati solo per una specifica configurazione di polarizzazione alla volta.
2° schema
ll secondo setup, più complesso, utilizza beam splitter polarizzanti (PBS) per separare i fotoni in base alla loro polarizzazione e indirizzarli a diversi ingressi del rivelatore a 4 canali. Questo sistema permette di raccogliere simultaneamente dati relativi a tutte le possibili configurazioni di polarizzazione, rendendo le misurazioni più rapide. Tuttavia, richiede un maggiore numero di elementi ottici e un’attenzione particolare nell’allineamento.
Quest’apparecchiatura, versatile, conveniente e con molteplici modalità di applicazione in classe, è già operativa nell’Advanced Quantum Laboratory della Facoltà di Fisica di Barcellona.
Nell’articolo pubblicato su EPJ Quantum Technology, trovate l’elenco dettagliato delle apparecchiature necessarie.
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Foto: Fondazione Catalunya La Pedrera
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