Entanglement quantistico: nuova formula semplificata

L’entanglement quantistico è uno dei fenomeni più affascinanti della meccanica quantistica, tanto che Albert Einstein lo definì “azione spettrale a distanza”. Oggi, grazie ai progressi della fisica, questo misterioso legame tra particelle sta diventando sempre più comprensibile.

Cos’è l’entanglement quantistico?

L’entanglement quantistico è un fenomeno in cui due o più particelle si trovano in uno stato di correlazione così profondo da risultare connesse indipendentemente dalla distanza che le separa. Se si misura lo stato di una di esse, anche l’altra ne risente istantaneamente, come se comunicassero tra loro in tempo reale.

Questo effetto, che sfida il senso comune, è oggi considerato un pilastro fondamentale della meccanica quantistica e ha applicazioni cruciali nella crittografia quantistica, nel teletrasporto quantistico e nei computer quantistici.

Misurare e quantificare l’entanglement in sistemi fisici complessi, tuttavia, è una sfida ancora aperta. Qui entrano in gioco le nuove formule sviluppate dai ricercatori giapponesi.

L’entanglement quantistico: una rivisitazione della “Spooky Action” di Einstein

Einstein definì l’entanglement quantistico “azione spettrale a distanza”, evidenziando come due particelle possano rimanere interconnesse indipendentemente dalla distanza che le separa. Le nuove ricerche, però, stanno rendendo questo fenomeno meno misterioso e più accessibile al calcolo, grazie a formule che consentono di analizzare l’entanglement in modo locale all’interno di sistemi elettronici complessi.

I fisici giapponesi dell’Università Metropolitana di Osaka hanno recentemente sviluppato formule semplificate per misurare l’entanglement quantistico, svelando sorprendenti interazioni nei materiali su scala nanometrica. Questo approccio innovativo offre nuove intuizioni sui sistemi elettronici fortemente correlati e apre la strada a potenziali applicazioni nelle tecnologie quantistiche, quali il calcolo quantistico e la crittografia avanzata.

Approccio locale all’entanglement quantistico

Gli studi precedenti si sono concentrati principalmente sulle proprietà universali dell’entanglement in materiali caratterizzati da fenomeni come il magnetismo o la superconduttività. Al contrario, il team di Osaka ha adottato un approccio locale, focalizzandosi sull’entanglement tra uno o due atomi (o gruppi di elettroni) selezionati arbitrariamente all’interno di un sistema e il loro ambiente circostante. Questa strategia ha permesso di ottenere una visione dettagliata di come le singole componenti interagiscono e si influenzano reciprocamente.

Sistemi Elettronici Fortemente Correlati

I sistemi elettronici fortemente correlati sono materiali in cui le interazioni tra elettroni dominano il comportamento complessivo. Tali sistemi presentano stati quantistici complessi e spesso aggrovigliati, rendendo difficile la loro analisi con metodi tradizionali.

Le nuove formule consentono di calcolare grandezze informative fondamentali, tra cui:

• Entropia di entanglement (S): quantifica il grado di correlazione tra due parti di un sistema.
• Informazione reciproca: misura la quantità di informazioni condivise tra due sottosistemi.
• Entropia relativa quantistica: evidenzia le differenze tra gli stati quantistici, risultando particolarmente utile per descrivere fenomeni come l’effetto Kondo, dove un’impurità magnetica viene schermata dagli elettroni di conduzione.

La nuova formula per l’entropia dell’entanglement

Una delle scoperte più sorprendenti dei ricercatori è stata la capacità di esprimere in forma semplificata la formula per l’entropia dell’entanglement. In particolare, la formula calcola l’entropia $S$ in base alle occupazioni degli stati elettronici e delle lacune (operatori) all’interno dell’atomo bersaglio. Definendo:

n↑ e n↓: i numeri di elettroni con spin alto e basso, rispettivamente.

h↑ e h↓: i numeri di lacune (stati vuoti) con spin alto e basso, rispettivamente.

La formula semplificata per l’entropia dell’entanglement è espressa come:

S=−n↑n↓log(n↑n↓)−h↑h↓log(h↑h↓)−n↑h↑log(n↑h↑)−n↓h↓log(n↓h↓)

Questa formula, grazie alla sua semplicità, permette di analizzare in modo efficace l’entanglement locale, evidenziando le interazioni quantistiche nei materiali su scala nanometrica.

Risultati sperimentali e applicazioni

Per testare il nuovo approccio, il team ha applicato le formule a diversi tipi di materiali, tra cui:

• Materiali magnetici artificiali: organizzati in catene lineari su scala nanometrica, i quali hanno mostrato comportamenti controintuitivi in termini di entanglement.
• Leghe magnetiche diluite: in cui l’entropia relativa quantistica è risultata fondamentale per catturare l’effetto Kondo, un fenomeno in cui un’impurità magnetica viene schermata dagli elettroni di conduzione.

I risultati hanno superato le aspettative iniziali, aprendo nuove strade per comprendere le interazioni quantistiche e per sviluppare tecnologie avanzate, come computer quantistici più efficienti e sistemi di crittografia quantistica ultra-sicuri.

Conclusioni e prospettive future

Le formule semplificate sviluppate dai fisici giapponesi rappresentano un importante passo avanti nello studio dell’entanglement quantistico, consentendo di analizzare in dettaglio le interazioni locali in sistemi complessi. Queste nuove intuizioni non solo migliorano la nostra comprensione dei materiali fortemente correlati, ma offrono anche spunti concreti per applicazioni tecnologiche rivoluzionarie nel campo della fisica quantistica.

Come ha affermato il professor Yunori Nishikawa, docente presso la Graduate School of Science dell’Università Metropolitana di Osaka:

“Le nostre formule possono essere applicate anche a materiali con proprietà fisiche differenti, ispirando ulteriori ricerche e fornendo nuove intuizioni sui comportamenti quantistici in vari sistemi.”

L’approfondimento di questi studi potrebbe, in futuro, contribuire in modo decisivo allo sviluppo di tecnologie quantistiche di nuova generazione, rivoluzionando il nostro modo di elaborare informazioni e interagire con il mondo che ci circonda.

Fonte: Physical Review B

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