Star Trek, la Relatività Generale e la Meccanica Quantistica

fisica meccanica quantistica

Scendiamo sul Pianeta misterioso” dice il Sig. Spock al Capitano Kirk.
Sig. Chekov, attivi il teletrasporto”; a quel punto Kirk schiaccia un bottone e vengono trasportati in men che non si dica sul Pianeta misterioso.

Sembra di ascoltare un dialogo tra gli astronauti più famosi della storia, quelli di Star Trek, la serie televisiva che dagli anni '60 del secolo scorso riempie di fantasia e conoscenze scientifiche la testa di milioni di telespettatori in tutto il mondo.

Chissà quante volte abbiamo sognato di poterci teletrasportare in giro per l'Universo! Ma è sempre stata una fantasia, un sogno, un'idea balzana che Gene Roddenberry, lo sceneggiatore di Star Trek, aveva avuto tanti anni fa. Non deve averla pensata così la professoressa Maria Spiropulu, del California Institute of Technology (CalTech) a Santa Barbara. Lei e il suo gruppo sono riusciti nell'intento di creare il primo tunnel spaziotemporale che permette ad una particella di passare da un luogo ad un altro attraversando un'altra dimensione: in pratica, utilizzando il teletrasporto.

Il 30 Novembre 2022, sulla rivista Nature, è stata pubblicata la sensazionale notizia che il gruppo guidato dalla Spiropulu è riuscita a teletrasportare un insieme di qubit (i bit quantistici di informazione), immagazzinati in alcuni circuiti superconduttivi, trasportando di fatto l'informazione contenuta in essi attraverso un tunnel quantistico. Questo tunnel era solo stato ipotizzato da e Nathan Rosen nel loro articolo del 1935 noto come ER e questa è la prima volta che viene realizzato sperimentalmente: un'ulteriore conferma del fatto che Einstein aveva previsto delle cose che poi si sono rivelate vere solo dopo decenni dalla sua morte.

Questo esperimento può essere visto come una conferma sperimentale del cosiddetto Principio Olografico che aiuta a mettere insieme la Teoria della Relatività Generale e la , che funzionano come teorie (cioè descrivono completamente e correttamente gli esperimenti) ognuna nei suoi ambiti (la RG nell'immensamente grande e la MQ nell'immensamente piccolo), ma che ancora non riescono a fondersi in una teoria unica valida a tutte le dimensioni (perché la RG non funziona bene a scale infinitesime, così come la MQ non funziona bene a quelle enormi). Nel Principio Olografico, ipotizzato a partire dagli anni '90 del secolo scorso, la curvatura spazio-temporale che ogni corpo crea intorno a sé per il solo fatto di avere una massa può essere considerata alla stregua di un insieme di particelle quantistiche sotto mentite spoglie: in questo modo lo spazio-tempo diventa un effetto quantistico così come un'immagine olografica in 3D viene vista tramite un'immagine bidimensionale.

L'esperimento guidato da Spiropulu dimostra proprio questo: gli effetti quantistici che vengono generati da un computer quantistico possono attivare un tunnel del tipo di quelli ipotizzati da Einstein e Rosen, permettendo all'informazione contenuta nei qubit di attraversare questo tunnel.
Non ci deve trarre in inganno la presunta fantascienza di questa scoperta: in realtà il tunnel non può essere visto o rivelato; ma gli effetti che ha l'informazione che viene teletrasportata lungo il tunnel sì, e sono proprio questi ad essere stati evidenziati nell'esperimento.

Ricostruiamo per sommi capi la storia di queste teorie, partendo dalla RG. Le equazioni di campo che esprimono le linee di forza gravitazionale di RG in alcune condizioni danno luogo a degli stati, detti di singolarità, in cui il valore di alcune variabili diventa infinito; noi oggi sappiamo che alcune di queste singolarità corrispondono al centro dei buchi neri, ma allora Einstein e Rosen ipotizzarono, per evitare che i valori di queste variabili andassero all'infinito (punto che è molto complicato da accettare per un fisico), di introdurre delle nuove variabili, cioè delle nuove particelle, come se fossero dei ponti (o più propriamente dei tunnel). E ovviamente la matematica funzionava correttamente, ma dimostrare fisicamente l'esistenza di queste particelle era tutt'altro compito.

Pochi mesi prima dell'articolo ER, Einstein e Rosen, insieme a Boris Podolski (un altro fisico che collaborava con loro) pubblicarono quello che è noto come articolo EPR in cui veniva ipotizzato il cosiddetto entanglement quantistico, cioè l'accoppiamento tra grandezze quantistiche di particelle che interagiscono tra loro. Accoppiamento nel senso che due particelle, indipendenti tra loro, una volta che interagiscono non sono più indipendenti ma il valore delle grandezze quantistiche di una diventano dipendenti da quelle dell'altra. La cosa strana è che quando scrissero ER l'articolo EPR era già uscito, ma Einstein e Rosen non avevano pensato che potesse trattarsi della stessa descrizione della realtà considerata da un altro punto di vista. Una piccola nota di colore: l'entanglement quantistico viene considerato, dai non addetti ai lavori, come un vero e proprio accoppiamento, trasformando un fenomeno fisico in qualcosa di più profondo come un legane (quasi amoroso) tra le particelle; da qui la pletora di siti e “guru” che scambiano la MQ per una teoria “new age” in cui l'amore e i sentimenti vengono immaginati come appartenenti alle particelle elementari. Naturalmente in Fisica non c'è spazio per tali speculazioni che invece sono molto diffuse al di fuori della Fisica.

Nell'articolo EPR gli autori dimostrano che la MQ porta all'azione a distanza tra grandezze di particelle entangled, cosa che quindi rendeva la MQ poco “interessante” per Einstein. Quello che dava fastidio a Einstein era che, per dare ragione del fenomeno sperimentale dell'entanglement quantistico si dovesse ipotizzare un'interazione con velocità di propagazione istantanea, e quindi maggiore di quella della luce: cosa assolutamente inaccettabile per colui che poneva nella RG la velocità della luce come frontiera non superabile per nessun corpo.

Nel frattempo, la Fisica Teorica non smetteva di pensare a come mettere d'accordo RG e MQ. Prima Gabriele Veneziano con la Teoria delle Stringhe, e poi Abhay Ashtekar, Carlo Rovelli e Lee Smolin con la Gravità Quantistica a Loop, danno nuova linfa a quello che attualmente è diventato il problema fondamentale: la cosiddetta Teoria del Tutto (Theory of Everything, o ToE). Il fisico olandese Gerardus ‘t Hooft, l'argentino Juan Martìn Maldacena, lo statunitense Leonard Susskind e molti altri immaginano l'Universo come un ologramma, cioè una rappresentazione quadridimensionale (tre spaziali e una temporale) di una realtà ad un numero maggiore di dimensioni: 10, 11, 43 o ancora di più. Come tutte le teorie che non hanno una dimostrazione sperimentale esse sono interessanti da approfondire, ma non possono essere prese come fondamento della descrizione della realtà (che è il fine ultimo della Fisica). E i due articoli ER e EPR restavano due articoli apparentemente senza nulla in comune tra loro.

Nel 2013 Maldacena ha un'intuizione che esprime con un'equazione: ER = EPR, ovvero l'equivalenza tra i ponti o tunnel della RG e gli ologrammi della MQ che vengono fuori dall'entanglement quantistico delle grandezze di particelle accoppiate. Ecco che, con i sistemi computazionali che nel frattempo si erano potenziati e con l'intuizione di Maldacena, il terreno era finalmente pronto ad accogliere degli esperimenti che dimostrassero queste teorie. Qui si innesta la ricerca di Spiropulu. Ma la grande accelerazione per ottenere il risultato viene fuori da uno studente, Alex Zlokapa, che, conoscendo molto bene la programmazione dei computer quantistici e la Teoria delle Reti Neurali, riesce a creare una rete che, usando strumenti dell'Intelligenza Artificiale, riduce la complessità della simulazione da molte centinaia di variabili a solo cinque. Questo è stato il passo fondamentale perché la ricerca desse il risultato fondamentale per tutta la comunità scientifica: la spinta a vedere nel teletrasporto non una fantasia di uno scrittore di fantascienza ma una realtà concreta su cui puntare per il futuro.

Enrico Cirillo

Physicists Create a Holographic Wormhole Using a Quantum Computer articolo apparso il 30 Novembre 2022 sulla Web magazine scientifica “Quanta Magazine” (https://quantamagazine.org)

 

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