Violation of Bell-type Inequality in the Hanbury Brown-Twiss (HBT) Toy-Model: Quantum Correlations beyond Local-Realism

La luce è stata a lungo compresa come un'onda, che si propaga nello spazio come un incresparsi in uno stagno. Per decenni, gli scienziati ne hanno descritto il comportamento utilizzando le familiari leggi della fisica classica, trattandola come un campo elettromagnetico continuo. Tuttavia, a metà del ventesimo secolo è emersa uno strato più profondo della realtà quando i ricercatori si resero conto che la luce si comporta anche come un flusso di particelle discrete chiamate fotoni. Questa natura duale ha dato origine al campo dell'ottica quantistica, che esplora come la luce interagisce con la materia al livello più fondamentale. Uno degli esperimenti più famosi in questo campo è l'effetto Hanbury Brown e Twiss, una tecnica originariamente progettata per misurare la dimensione di stelle distanti. Posizionando due rilevatori molto distanti tra loro e misurando come le fluttuazioni della luminosità della luce stellare avvengano all'unisono, gli astronomi scoprirono che la luce possiede una personalità statistica che la fisica classica non poteva spiegare pienamente. Questo effetto rivelò che i fotoni possono arrivare in gruppi o evitare di incontrarsi, comportamenti che suggeriscono una connessione più profonda e strana tra le particelle. Oggi, la domanda rimane: questi apparati ottici possono rivelare un tipo di connessione più profondo noto come non-località, dove le particelle si influenzano istantaneamente attraverso lo spazio, sfidando l'idea che tutto debba essere spiegato da cause locali e nascoste?

In uno studio recente, i ricercatori dell'Indian Institute of Science Education and Research Mohali si sono posti l'obiettivo di indagare questa domanda utilizzando una versione semplificata del famoso esperimento di misurazione delle stelle. L'allestimento originale per l'effetto Hanbury Brown e Twisi è complesso, coinvolgendo otto diversi percorsi che la luce può seguire mentre viaggia da due sorgenti a due rilevatori. Per rendere la matematica gestibile senza perdere l'essenza della fisica, il team ha costruito un modello snellito utilizzando solo quattro percorsi. Immaginarono due sorgenti di luce, ciascuna delle quali emetteva un tipo speciale di stato quantistico noto come vuoto compresso a due modi (two-mode squeezed vacuum). Questi stati non sono luce ordinaria; sono risorse quantistiche accuratamente preparate in cui le proprietà della luce sono legate in un modo che la fisica classica non può replicare. I ricercatori hanno diretto questi fasci attraverso una serie di specchi, divisori di fascio e polarizzatori, imitando il viaggio della luce nell'esperimento originale ma all'interno di un quadro teorico controllato. L'obiettivo era vedere se le correlazioni tra la luce che arriva ai due rilevatori potessero infrangere una specifica regola matematica nota come disuguaglianza di tipo Bell. Questa regola funge da linea di confine: se le misurazioni rimangono entro la linea, i risultati potrebbero essere spiegati da un mondo classico dove tutto è determinato da fattori locali e nascosti. Se le misurazioni oltrepassano la linea, ciò prova che la luce sta esibendo una genuina non-località quantistica.

Il team ha scoperto che il loro modello semplificato ha effettivamente superato quel confine. Quando hanno analizzato i dati generati dal loro sistema a quattro modi, le correlazioni tra i rilevatori hanno violato la disuguaglianza, dimostrando che la luce si stava comportando in un modo che nessuna descrizione classica poteva spiegare. Questa violazione si è verificata specificamente quando le sorgenti di luce erano preparate in uno stato compresso, una condizione in cui l'incertezza nelle proprietà della luce è ridotta al di sotto del limite quantistico standard. I ricercatori hanno osservato che l'effetto era più forte quando entrambe le sorgenti erano compresse in modo corrispondente, ma hanno anche scoperto qualcosa di sorprendente: anche se una sorgente era compressa e l'altra rimaneva uno stato standard, di tipo classico, il sistema produceva comunque una violazione. Ciò suggerisce che i componenti ottici dell'allestimento, agendo come un miscelatore, sono stati in grado di intrecciare i due fasci separati, tessendoli in un unico stato quantistico non-locale. Lo studio ha anche esaminato cosa accade quando la luce non è perfettamente pura ma presenta del rumore termico, simulando un ambiente più caldo. Hanno scoperto che la connessione non-locale persisteva anche a temperature finite, sebbene la forza della violazione svanisse gradualmente all'aumentare della temperatura.

Questi risultati confermano che l'allestimento di Hanbury Brown e Twiss non è solo uno strumento per misurare le dimensioni delle stelle o contare i fotoni, ma una piattaforma potente per testare le fondamenta stesse della realtà. Riducendo l'esperimento ai suoi elementi essenziali, i ricercatori hanno dimostrato che le strane caratteristiche non-locali della meccanica quantistica sono abbastanza robuste da sopravvivere in un impianto ottico semplificato. Il lavoro evidenzia che il confine tra il mondo classico che vediamo e il mondo quantistico che lo sottende non è un muro rigido, ma una linea permeabile che può essere attraversata con il giusto tipo di luce. Sebbene lo studio si sia basato su calcoli teorici piuttosto che su un esperimento fisico da banco, il rigore matematico del modello fornisce una chiara tabella di marcia per indagini future. Suggerisce che anche in un sistema con soli quattro percorsi di luce, l'universo può rivelare i suoi segreti più controintuitivi, provando che la natura quantistica della luce non è una fragile curiosità, ma una caratteristica fondamentale del funzionamento del mondo.