Gravitationally Mediated Entanglement in Interferometers with Repeated Splitting

La relazione tra i due grandi pilastri della fisica moderna — la meccanica quantistica, che governa l'infinitamente piccolo, e la gravità, che governa l'infinitamente grande — rimane uno dei misteri più profondi della scienza. Per decenni, i fisici si sono chiesti se la gravità stessa sia una forza quantistica, capace di creare entanglement tra particelle proprio come può fare la luce o il magnetismo. La visione standard suggerisce che se due oggetti diventano entangled esclusivamente attraverso la loro attrazione gravitazionale, allora la gravità deve essere di natura quantistica. Tuttavia, testare questo fenomeno è incredibilmente difficile perché la gravità è la forza più debole di tutte, e gli effetti quantistici che potrebbe produrre sono facilmente oscurati dal rumore ambientale. Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno proposto l'uso dell'interferometria a onde di materia, una tecnica in cui piccoli oggetti vengono posti in uno stato di "sovrapposizione", esistendo effettivamente in due luoghi contemporaneamente. Se due tali oggetti, separati nello spazio, interagiscono solo attraverso la gravità e diventano entangled, ciò sarebbe un segno potente che la gravità opera secondo le regole quantistiche.

Un team di ricercatori dell'University College London ha ora esplorato una versione più complessa di questa idea, chiedendosi se la divisione di questi oggetti in più percorsi possa rendere il segnale quantistico più forte. Nel loro studio, hanno analizzato un protocollo in cui due piccole masse non sono solo divise in due percorsi, ma vengono ripetutamente divise ancora e ancora, raddoppiando il numero di rotte possibili che possono intraprendere. Simulando questo processo con parametri specifici, hanno scoperto che l'aggiunta di queste fasi di divisione extra non distrugge la delicata connessione quantistica; al contrario, può aumentare significativamente la quantità di entanglement generato, anche in presenza di rumore ambientale che di solito annulla tali effetti.

Il cuore del loro lavoro riguarda un esperimento mentale con due piccole sfere, ciascuna delle quali agisce come una particella quantistica. Immaginate che queste sfere siano collocate in un vuoto, separate da una distanza di 500 micrometri. I ricercatori hanno proposto un metodo in cui ciascuna sfera è sottoposta a una serie di "divisioni" controllate. Nella prima divisione, un campo magnetico spinge la sfera in due percorsi distinti. In un esperimento standard, questi percorsi verrebbero infine ricombinati per vedere se la sfera è entrata in entanglement con la sua compagna. Ma in questa nuova proposta, i ricercatori hanno suggerito di dividere nuovamente i percorsi. Dopo che la prima divisione crea due percorsi, una seconda operazione divide ciascuno di essi, risultando in quattro percorsi. Una terza divisione creerebbe otto percorsi, e così via. Ogni volta che i percorsi vengono divisi, il numero di rotte possibili raddoppia, creando una complessa rete di possibilità dove le due masse interagiscono gravitazionalmente attraverso molte diverse distanze simultaneamente.

I ricercatori erano preoccupati che questa complessità aggiunta potesse essere un'arma a doppio taglio. Più percorsi significano più opportunità per l'ambiente di disturbare il sistema, potenzialmente distruggendo l'entanglement quantistico prima che possa essere misurato. Hanno modellato il sistema utilizzando due sfere di diamante identiche, ciascuna del peso di 1,5 × 10⁻¹⁴ chilogrammi, una massa sufficientemente grande da avere una forza gravitazionale misurabile ma abbastanza piccola da mantenere un comportamento quantistico. Hanno simulato il viaggio di queste sfere nell'arco di un periodo di 10 secondi, tenendo conto dell'attrazione gravitazionale tra di esse e dell'inevitabile "decoerenza" causata dall'ambiente, che hanno modellato come un tasso di rumore compreso tra 0,005 e 0,030 al secondo.

La loro analisi ha rivelato una sorprendente resilienza nella connessione quantistica. Hanno scoperto che l'entanglement generato dall'interazione gravitazionale non si perde facilmente quando il numero di percorsi aumenta. Infatti, le simulazioni hanno mostrato che il protocollo a due divisioni generava significativamente più entanglement rispetto alla versione a singola divisione in tutti i livelli di rumore testati. Anche nello scenario più rumoroso considerato, in cui l'ambiente cercava con più forza di rompere la connessione, il metodo a due divisioni produceva un legame quantistico molto più forte. I ricercatori hanno derivato una condizione matematica per dimostrare che l'aggiunta di una divisione non può ridurre l'entanglement al di sotto di un certo punto, garantendo efficacemente che la connessione quantistica persista.

Per rendere questo approccio pratico, il team ha anche considerato come leggere i risultati. In un mondo perfetto, l'esperimento manterrebbe un registro dettagliato di quale percorso ha preso ciascuna sfera, permettendo agli scienziati di ricostruire lo stato quantistico completo. Tuttavia, in uno scenario più realistico in cui la memoria interna del sistema è limitata a soli due stati, i percorsi devono essere ricombinati in un modo specifico per estrarre il segnale. I ricercatori hanno sviluppato un test preciso, basato su un controllo matematico specifico, per determinare se il segnale ricombinato mostrerebbe più entanglement rispetto a un esperimento più semplice. Le loro simulazioni hanno confermato che anche con questa lettura limitata, il protocollo a due divisioni superava quello a singola divisione. Al termine della simulazione di 10 secondi, il metodo a singola divisione mostrava una connessione quantistica molto debole, mentre il metodo a due divisioni mostrava una connessione quasi tre volte più forte, nonostante lo stesso livello di rumore ambientale.

Lo studio ha anche affrontato una domanda critica: la complessità aggiunta dalle molteplici divisioni accorcia il tempo di durata dell'entanglement? I ricercatori hanno dimostrato che non è così. Hanno mostrato che se il sistema è entangled dopo la prima divisione, rimarrà entangled dopo la seconda, indipendentemente dalle fasi gravitazionali accumulate. Ciò significa che l'aggiunta di ulteriori fasi di divisione non rende lo stato quantistico più fragile; al contrario, fornisce più "spazio" affinché l'interazione gravitazionale costruisca un legame più forte. I ricercatori hanno osservato che, sebbene il loro lavoro sia attualmente una simulazione, i parametri fisici utilizzati, come la massa delle sfere e la forza dei gradienti magnetici, rientrano nel campo di ciò che viene proposto per i futuri esperimenti.

Questo lavoro suggerisce una nuova direzione per sondare la natura quantistica della gravità. Invece di cercare di isolare un'unica, perfetta interazione, gli scienziati potrebbero essere in grado di sfruttare il potere di interazioni multiple e ripetute per amplificare il segnale. I risultati indicano che la geometria dell'esperimento — ovvero il numero di percorsi che le particelle intraprendono — è una scelta di progettazione cruciale. Organizzando attentamente questi percorsi, i ricercatori possono potenzialmente superare i limiti del rumore e rilevare i deboli sussurri quantistici della gravità. Lo studio non afferma di aver rilevato la gravità quantistica, ma fornisce un solido quadro teorico e un insieme chiaro di condizioni sotto le quali i futuri esperimenti potrebbero avere successo. Offre una tabella di marcia su come costruire test più sensibili, mostrando che, con la giusta configurazione, la natura quantistica della gravità potrebbe essere alla portata dei nostri migliori interferometri.