Locc inequalities quantumness gravity

Come rivelare la natura quantistica della gravità, attraverso esperimenti con oscillatori armonici quantistici. In uno studio pubblicato questo mese su Physical Rewiew X, un gruppo di ricercatori guidato dall’italiano Ludovico Lami dell’Università di Amsterdam (Paesi Bassi) è riuscito a teorizzare, per comprendere se la gravità abbia o meno una natura quantistica, una serie di esperimenti dove l’entanglement non è il protagonista.

Cercare di comprendere quale sia la natura della forza di gravità è una delle sfide della fisica moderna. È una forza quantistica? Oppure è una forza “classica”, per cui una descrizione geometrica su larga scala è sufficiente? O è qualcosa di ancora diverso?

Fino ad ora, tutte le proposte sperimentali per rispondere a queste domande si sono basate sulla creazione del fenomeno quantistico dell’entanglement tra masse pesanti e macroscopiche. Ma più un oggetto è pesante, più tende a perdere le sue caratteristiche quantistiche e diventare “classico”, rendendo incredibilmente difficile far comportare una massa pesante come una particella quantistica.

Sembrerebbe dunque di essere in una sorta di vicolo cieco: abbiamo teoricamente uno strumento, l’entanglement, che potrebbe aiutarci a chiarire dubbi fondamentali sulla natura della gravità, ma non riusciamo a mettere in piedi alcun esperimento, per adesso, che ci possa aiutare a raggiungere un tanto agognato responso.

Ora potrebbe esserci un piccolo spiraglio, seppur ancora teorico, di via d’uscita: un articolo pubblicato questo mese su Physical Rewiew X da Ludovico Lami dell’Università di Amsterdam (Paesi Bassi) e Julen Pedernales e Martin B. Plenio, due fisici dell’Università di Ulm (Germania) propone un modo alternativo per testare la natura della gravità.

Qual è questa proposta? Quale idea ci sta dietro? Lo abbiamo chiesto al primo autore dell’articolo, Ludovico Lami appunto, fisico originario di Pisa, laurea alla Scuola Normale, dottorato a Barcellona, due postdoc a Nottingham (Regno Unito) e in Germania e oggi assistant professor all’Università di Amsterdam.

Lo scopo del vostro studio è rivelare la “quantumness of gravity”. Di che si tratta? E come la tradurrebbe in italiano?

«La natura quantistica della gravità, non c’è traduzione migliore. Semplicemente, si tratta di capire se l’interazione gravitazionale tra sistemi quantistici è quantistica, più genericamente non classica, oppure è descritta, come dice Einstein, da un campo puramente classico».

Quindi il vostro obiettivo è trovare un modo per mettere alla prova questa natura quantistica della gravità?

«In realtà si dovrebbe dire più accuratamente non classica. Questo perché l’esperimento che proponiamo non confermerebbe la natura quantistica della gravità: il suo scopo principale è confutare la sua natura puramente classica.

L’esperimento potrebbe anche fornire indizi a supporto del fatto che sia quantistica, ma appunto, lo scopo primo è falsificare l’ipotesi che sia un campo classico a mediare le interazioni gravitazionali».

Dagli studi precedenti sembrava che gli unici esperimenti possibili dovessero basarsi sul fenomeno dell’entanglement. In che modo?

«Il metodo che fa affidamento sull’entanglement è stato proposto da Richard Feynman in una famosa conferenza a Chapel Hill nel 1957 e si basa su un’idea abbastanza semplice.

Praticamente, si prende una massa sorgente che può trovarsi in uno stato di sovrapposizione, cioè sostanzialmente può trovarsi in due punti diversi dello spazio (immaginiamo uno a destra e uno a sinistra). Poi si considera di avere un’altra massa di test. Come si comporterà quest’ultima? Verrà attratta dalla massa precedente. Ma poiché la massa sorgente può trovarsi in due punti diversi dello spazio, avremo che la massa di test entrerà in uno stato di sovrapposizione anch’essa.

Si forma perciò uno stato entangled: se la massa sorgente è a sinistra, la massa di test viene attratta a sinistra, se la massa sorgente è a destra viene attratta a destra. Perciò se in qualche modo possiamo certificare che l’unica interazione fra la massa sorgente e quella di test è la gravità e si è formato entanglement, allora vuol dire che il campo gravitazionale della massa sorgente è entrato in una sovrapposizione anch’esso, dunque non potrebbe avere una natura semplicemente classica».

E questo tipo di esperimento ha portato a qualche risultato concreto?

«No, perché si sta parlando di esperimenti estremamente complicati da realizzare. Per essere posta in uno stato quantistico di sovrapposizione, la massa deve essere molto piccola. Questo perché questi stati quantistici sono assai fragili, perciò è necessario che la massa sia completamente isolata, cioè si trovi in uno stato delocalizzato. Questo però non si riesce a fare per una massa abbastanza grande da generare un campo gravitazionale misurabile».

Il vostro approccio invece qual è?

«Quello che Feymann intendeva dire con il suo esperimento è che, se la gravità è classica, si comporta come un sistema puramente classico che però parla localmente con i due sistemi quantistici.

Questo paradigma di due soggetti quantistici che comunicano attraverso un canale classico prende il nome di paradigma Locc (Local Operations and Classical Communication). Dunque, quello che diciamo nel nostro articolo è: partendo dal presupposto che se la gravità è classica agisce come una Locc, riusciamo a trovare delle condizioni a cui queste Locc devono per forza obbedire?

E riusciamo a progettare un esperimento che potenzialmente violi queste condizioni? Quindi quello che noi deriviamo sono le condizioni che una qualunque dinamica su un sistema bipartito deve avere se vuole essere Locc. Noi, perciò, progettiamo un esperimento che cerchi di testare se queste condizioni, che chiamiamo Locc inequalities, siano verificate o meno».

Ma concretamente in cosa consiste?

«Allora questa è l’idea generale dell’esperimento. Poi noi nell’articolo consideriamo anche un’implementazione specifica, però, secondo me, è importante dire che indipendentemente dall’implementazione il concetto dell’esperimento è generale. Comunque, l’applicazione specifica di cui noi parliamo nell’articolo è molto semplice: prendiamo n oscillatori armonici quantistici, cioè n “massine” attaccate a molle quantistiche, che essendo dotate di massa interagiscono con la gravità.

Le prepariamo in quelli che in fisica chiamiamo stati coerenti, stati molto classici ed estremamente facili da preparare. Le masse iniziano ad oscillare e si influenzano a vicenda, ma nonostante interagiscano tra di loro, dopo l’interazione rimangono ancora degli stati coerenti: non si è creato entanglement. Quello che noi riusciamo a dimostrare è che questa dinamica sul sistema quantistico non è una Locc.

Quindi, sostanzialmente, l’esperimento funziona così: si prendono degli oscillatori armonici, noi abbiamo preso per esempio dei pendoli a torsione, si osserva quello che succede e si cerca di verificare che questa dinamica non sia compatibile con un campo gravitazionale puramente classico».

Ma è tutto teorico o si potrebbe realizzare? Che cosa manca per farlo?

«Sì, per ora è soltanto una proposta. Sostanzialmente quello che manca sono degli oscillatori di qualità. Infatti, prima di tutto bisognerebbe raffreddarli fino allo stato vicino al vuoto. Poi occorrerebbe conoscere con estrema precisione le frequenze di oscillazione, che tra l’altro dovrebbero essere molto basse, affinché gli oscillatori abbiano il tempo di influenzarsi. Io sono un teorico, non uno sperimentale, però da quello che so non esistono ancora degli oscillatori di cui si possa conoscere la frequenza esatta con una precisione così alta».

Per saperne di più: Leggi su Physical Review X l’articolo “Testing the Quantumness of Gravity without Entanglement”, di Ludovico Lami, Julen S. Pedernales e Martin B. Plenio