Nel Quantum Information Lab della Sapienza, in collaborazione con l’Università di Palermo, è stata osservata per la prima volta la connessione di due aspetti fondamentali del mondo quantistico: la duplice natura onda–particella dei fotoni e la loro correlazione a distanza. Lo studio, che porta con sé anche nuovi possibili risvolti tecnologici, è pubblicato su Nature Communications.
Tra le proprietà della materia descritte dalla fisica quantistica, c’è la duplice natura di ogni particella che si comporta al tempo stesso come onda e come corpuscolo e l’esistenza di una profonda correlazione a distanza tra sistemi di particelle microscopiche, come i fotoni. Questi due fenomeni, comunemente noti come “dualismo onda-particella” ed “entanglement” (per il quale Einstein coniò l’espressione “azione spettrale a distanza”), sebbene verificati più volte separatamente, finora non erano mai stati osservati in relazione tra loro.
Lo studio pubblicato su Nature Communications, coordinato a livello teorico da Rosario Lo Franco del Dipartimento di Energia, Ingegneria dell’Informazione e Modelli Matematici dell’Università di Palermo, con altri ricercatori afferenti ad università in Cina e Vietnam, e a livello sperimentale nel Quantum Information Lab del Dipartimento di Fisica della Sapienza da Fabio Sciarrino ha dimostrato che questi due aspetti fondamentali della meccanica quantistica possono coesistere.
Il gruppo internazionale di giovani fisici è giunto a questi risultati attraverso la realizzazione sperimentale di uno schema teorico che utilizza fotoni polarizzati, cioè particelle di luce con una specifica direzione di oscillazione. Il primo passo del lavoro è stato quello di provare che un singolo fotone può manifestarsi simultaneamente come onda e come particella in una sovrapposizione quantistica dei due comportamenti.
Successivamente i fisici hanno creato e osservato due fotoni tali che il comportamento ondulatorio o particellare dell’uno fosse determinato dal comportamento duale dell’altro, indipendentemente dalla distanza tra i due fotoni. “In sintesi – dice Lo Franco – abbiamo dimostrato che un entanglement a due fotoni nella loro duplice natura onda-particella è possibile. Questo fenomeno, in analogia con la pittoresca espressione di Einstein, può essere quindi denominato ‘azione di dualità onda-particella a distanza’ e si può estendere anche a più fotoni grazie alla semplicità dello schema teorico e all’efficacia dell’apparato sperimentale”.
Infatti, il team della Sapienza ha realizzato un apparato con diversi punti di forza, tra cui un elevato grado di stabilità, una realizzazione modulare che possa essere replicata per un numero crescente di particelle, ed una completa automatizzazione del sistema. “Stiamo adesso lavorando in due nuove direzioni – spiega Sciarrino. – Da un punto di vista concettuale, il nostro scopo è sviluppare teoricamente e sperimentalmente dei quantificatori (“witness”) delle risorse quantistiche. Da un punto di vista tecnologico, stiamo sviluppando una piattaforma integrata basata su circuiti ottici in modo da poter incrementare la complessità degli stati generati, per applicazioni nell’ambito della crittografia e della comunicazione quantistica.”
