Complementarity Test with Unmeasured, Permanently Inaccessible Path Markers

Nel mondo quantistico, le regole della realtà sembrano spesso ruotare attorno a una singola, paradossale domanda: una particella sa quale percorso ha intrapreso? Quando un fotone, un minuscolo pacchetto di luce, attraversa un apparato con due possibili rotte, si comporta come un'onda, diffondendosi e interferendo con se stesso per creare un pattern di bande chiare e scure. Questo comportamento ondulatorio è il cuore della meccanica quantistica. Tuttavia, se esiste qualsiasi informazione che possa rivelare quale rotta specifica abbia scelto il fotone, quel pattern ondulatorio svanisce e la particella agisce come un oggetto solido, percorrendo un unico sentiero. Questo principio, noto come complementarità, suggerisce che l'universo ci proibisca di vedere contemporaneamente la natura ondulatoria e la natura corpuscolare della luce. Per decenni, i fisici hanno testato questa idea, ma rimaneva un sottile dubbio. In ogni esperimento precedente, il "marcatore" che registrava il percorso del fotone veniva infine catturato, misurato o assorbito da un rilevatore o dall'ambiente. Anche se tale misurazione avveniva successivamente, l'informazione non era mai stata veramente persa; rimaneva a portata del mondo fisico. Ciò lasciava aperta una falla: forse l'universo decide di distruggere il pattern ondulatorio solo una volta che l'informazione sul percorso viene effettivamente registrata da qualche parte, piuttosto che semplicemente esistere in linea di principio.

Un team di ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara, ha ora chiuso quella falla con un esperimento che invia l'informazione sul percorso lontano per sempre. Hanno creato coppie di fotoni entangled, dove un fotone, chiamato segnale, rimaneva all'interno di un interferometro di laboratorio per creare un pattern di interferenza, mentre il suo partner, l'idler, trasportava l'unica registrazione di quale percorso avesse scelto il segnale. Invece di catturare l'idler, i ricercatori lo hanno lanciato verso l'alto da un tetto, inviandolo su una traiettoria dritta verso l'universo. Hanno calcolato che tra il 73 e l'82 percento di questi fotoni lanciati viaggerebbe per sempre senza mai colpire una particella di polvere, una nube di gas o un rilevatore. Per questi specifici fotoni, la registrazione del percorso rimarrebbe non misurata e permanentemente inaccessibile, allontanandosi dal laboratorio alla velocità della luce. Se il collasso della funzione d'onda dipendesse dalla registrazione dell'informazione sul percorso, il pattern di interferenza del fotone di segnale avrebbe dovuto cambiare quando il suo partner veniva inviato via. Ma quando i ricercatori hanno analizzato i dati, non hanno trovato alcun cambiamento. I fotoni di segnale hanno continuato a comportarsi come onde, completamente indifferenti al fatto che i loro partner stessero svanendo nel cosmo.

L'esperimento si è basato su una configurazione precisa che coinvolgeva un laser capace di generare coppie di fotoni entangled e un complesso sistema di specchi e fibre. Il fotone di segnale viaggiava attraverso una linea di ritardo e in un interferometro di Mach–Zehnder, un dispositivo che divide la luce in due percorsi e poi li ricombina. Il fotone idler viaggiava attraverso una fibra separata verso una stazione sul tetto. Qui, i ricercatori potevano scegliere se catturare l'idler per controllare il suo percorso, cancellare l'informazione sul percorso o lanciarlo nel cielo. Nelle prove critiche, l'idler veniva lanciato verso l'alto. Il team ha modellato il viaggio di questi fotoni attraverso l'atmosfera, la Via Lattea e il vasto vuoto tra le galassie. I loro calcoli mostravano che per la maggioranza di questi fotoni, il viaggio sarebbe stato ininterrotto. Non avrebbero subito scattering, non sarebbero stati assorbiti, né avrebbero lasciato una traccia nell'ambiente. Ciò significava che per la maggior parte di questi fotoni sopravvissuti, l'informazione sul percorso era codificata nello stato quantistico ma non diventava mai un record fisico nell'universo.

I ricercatori hanno monitorato i fotoni di segnale per cercare segni che il lancio avesse alterato il loro comportamento. Cercavano un tipo specifico di frangia di interferenza che sarebbe apparsa se l'informazione sul percorso fosse stata in qualche modo "persa" in un modo che avrebbe ripristinato il pattern ondulatorio. Dopo aver raccolto i dati per sei ore e analizzato milioni di eventi di rilevamento, non hanno trovato alcun cambiamento statisticamente significativo. I fotoni di segnale si sono comportati esattamente come previsto dalla teoria quantistica standard, indipendentemente dal fatto che i loro partner fossero stati misurati o inviati via. Il team ha calcolato che, se si fosse verificato un cambiamento indotto dal lancio, sarebbe stato visibile con alta confidenza. Invece, il limite superiore per un tale effetto era inferiore al 16 percento di quanto ci si aspetterebbe se il pattern ondulatorio fosse tornato completamente. Questo risultato conferma che la mera possibilità di conoscere il percorso non è sufficiente a distruggere l'interferenza; piuttosto, l'interferenza persiste finché l'informazione sul percorso rimane non misurata e inaccessibile.

Questa scoperta affronta un dibattito di lunga data su quando e come i sistemi quantistici compiano la transizione da una sfocata sovrapposizione di possibilità a una realtà definita. Alcune teorie suggerivano che l'universo potesse attendere finché non viene formato un record, anche se tale record viene formato molto più tardi o da un evento distante. Assicurando che il marcatore del percorso venisse inviato in un luogo dove nessun evento futuro potrebbe mai raggiungerlo, i ricercatori hanno testato i limiti di questa idea. Il fatto che il pattern di interferenza sia rimasto invariato suggerisce che lo stato quantistico non attende una misurazione per collassare. Invece, il comportamento ondulatorio è determinato dallo stato congiunto della coppia entangled, e se il marcatore rimane non misurato e inaccessibile, l'interferenza sopravvive. L'esperimento non prova che l'universo sia deterministico o che le variabili nascoste non esistano, ma esclude una specifica classe di teorie in cui il collasso della funzione d'onda dipende dalla causalità dell'accesso all'informazione sul percorso.

La portata di questo lavoro risiede nella sua capacità di isolare l'atto di codificare l'informazione dall'atto di misurarla. Negli esperimenti precedenti, il marcatore del percorso veniva sempre misurato, anche se la misurazione avveniva dopo il rilevamento del segnale. Questa nuova configurazione ha garantito che per una vasta frazione dei fotoni, il marcatore non venisse mai misurato affatto. I ricercatori non hanno sostenuto di aver visto una nuova forza o una nuova particella, ma piuttosto di aver confermato una previsione fondamentale della meccanica quantistica in condizioni che non erano mai state testate prima. Il risultato è un'affermazione silenziosa ma potente che il mondo quantistico opera secondo regole che sono coerenti anche quando spinte ai bordi dell'universo osservabile. I fotoni lanciati nel cielo continuano il loro viaggio, portando con sé i loro segreti non misurati, mentre il laboratorio sottostante rimane invariato, con i suoi pattern di interferenza intatti.

La conclusione del team si fonda sui dati raccolti, che non hanno mostrato deviazioni dal modello standard. Non hanno trovato prove che l'atto di lanciare i fotoni abbia causato un comportamento differente nel segnale. Il limite superiore che hanno stabilito per un potenziale effetto era sufficientemente piccolo da escludere l'idea che l'universo attenda la formazione di un record prima di decidere il destino dell'interferenza. Questo non significa che la questione di come la meccanica quantistica si connetta alla realtà sia stata risolta del tutto, ma rimuove un'incertezza specifica che aleggiava nel campo. L'esperimento dimostra che finché l'informazione sul percorso è veramente persa per l'universo, la natura ondulatoria della particella rimane. È un test dei confini della meccanica quantistica e, finora, la teoria regge salda. I ricercatori hanno dimostrato che l'universo non richiede un osservatore cosciente o un record fisico per mantenere il delicato equilibrio dell'interferenza quantistica; richiede solo che l'informazione rimanga fuori portata.