Crittografia quantistica: a cosa serve l’entanglement?

Sembra esserci una correlazione quantistica, il cosiddetto quantistico, tra i quark e i gluoni di un protone. Questo risultato, ottenuto indirettamente dall’esperimento CMS al grande acceleratore LHC di Ginevra, se confermato, è estremamente importante in quanto potrebbe aiutarci a svelare il mistero dei legami nucleari tra i quark, che non possono essere isolati.

L’entanglement è una bizzarra proprietà quantistica che, da una parte, viene studiata nei laboratori di in tutto il mondo, d’altra parte, viene utilizzata con grande successo nelle nuove tecnologie quantistiche, come nella , estremamente sicura, proprio dovuto a questa proprietà.

Cos’è l’entanglement?

Due (o più) particelle che nascono nello stesso processo o interagiscono l’una con l’altra rimangono “aggrovigliate”; quando facciamo qualcosa su una delle particelle (una misura in laboratorio), l’altra percepisce instantaneamente questo processo, a seguito del quale definisce il suo stato quantico correlato a quello della (prima) particella misurata. Questa proprietà è stata dimostrata separando fasci di fotoni per centinaia o addirittura migliaia di chilometri: una volta misurato uno dei fotoni, la sua funzione d’onda collassa in uno degli stati possibili, l’altro definisce istantaneamente il suo stato, correlato con quello del fotone misurato. Questa proprietà, una vera risorsa quantistica, è attualmente utilizzata nella crittografia quantistica, rendendo la comunicazione estremamente sicura: gli hacker non possono “rubare” le informazioni, poiché vengono smascherati all’istante.

Quali le nuove scoperte?

Recentemente, l’esperimento CMS all’acceleratore di particelle LHC di Ginevra ha effettuato misurazioni di precisione su collisioni di fasci di protoni, concludendo che all’interno di un protone i quark e gluoni che lo compongono si trovano in uno stato di entanglement. I protoni, particelle nucleari con carica elettrica positiva, si trovano in qualsiasi nucleo di un atomo; il numero di protoni determina l’elemento chimico. Ad esempio, sei protoni si trovano nel nucleo di carbonio. I protoni, a loro volta, sono costituiti dai cosiddetti quark, particelle elementari del modello standard della fisica delle particelle elementari.

I protoni contengono due quark “up” e un quark “down” che sono collegati da gluoni, ovvero i mediatori dell’interazione nucleare forte (simili fotoni, che sono i mediatori dell’interazione elettromagnetica).

I ricercatori dell’esperimento CMS hanno recentemente pubblicato un articolo che dimostra che l’entropia risultante dalla collisione dei protoni a LHC è più alta del previsto. L’entropia in più, sostengono, sarebbe generata dall’entanglement dei quark e dei gluoni che formano i protoni. Entropia è una proprietà di un sistema che è determinata dal numero di possibili stati del sistema.

I ricercatori della CMS hanno misurato l’entropia contando le particelle risultanti dalla collisione di protoni ad alta energia dall’LHC. Poiché questo processo produce più particelle del previsto, i ricercatori che hanno pubblicato l’articolo giungono indirettamente alla seguente conclusione: i quark e i gluoni nei protoni sono in uno stato di entanglement quantistico. Ovviamente, per una dimostrazione finale c’è ancora bisogno di molti studi. Se infatti i quark e i gluoni dei protoni fossero in uno stato di correlazione quantistica, ciò potrebbe aiutare a spiegare le bizzarre proprietà della forza nucleare forte, cioè che non esistono quark isolati. I quark appaiono sempre abbinati: con un anti-quark (in mesoni) o con altri due quark (all’interno dei barioni, famiglia di quale fanno parte anche i protoni). Allo stato attuale, i ricercatori che studiano la forza nucleare nucleare non comprendono appieno questa proprietà; i quark sono liberi solo quando sono insieme (libertà asintotica).

Diversi modelli sono stati proposti e sviluppati nella fisica nucleare per spiegare questa proprietà, ma nessuno di essi è perfettamente soddisfacente, poiché si basa su ipotesi e semplificazioni che sappiamo che in realtà non si verificano.

Forse l’entanglement quantistico nel protone, se confermato, ci aiuterà a capire la forza nucleare dei quark che è alla base della struttura della materia, compresi quella degli atomi da cui siamo composti noi stessi.

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Catalina Curceanu
Primo Ricercatore dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e membro della Foundational Question Institute (FQXi), nata in Transilvania, si è laureata in fisica con la specializzazione in fisica delle particelle elementari e fisica nucleare. Ha svolto il dottorato di ricerca nell’ambito dell’esperimento OBELIX (CERN) nel campo della spettroscopia dei mesoni esotici. Attualmente dirige un gruppo di ricerca che svolge esperimenti nell'ambito della fisica nucleare e della fisica fondamentale (fisica quantistica) sia in Italia che all’estero (Giappone) ed è a capo delle collaborazioni internazionali SIDDHARTA2 (esperimento sull’acceleratore DAFNE dei Laboratori Nazionali di Frascati) e VIP (esperimento ai Laboratori Nazionali di Gran Sasso). Coordina per l’INFN vari progetti europei e internazionali e ha ricevuto vari premi e riconoscimenti internazionali, tra i quali quelli delle FQXi, Australian Institute of Physics e John Templeton Foundation per i suoi studi in fisica quantistica. E' autrice del libro “Dai buchi neri all’adroterapia. Un viaggio nella Fisica Moderna” (Springer – I Blu).

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