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Enigmi del mondo quantistico, lentanglement, il teletrasporto, il gatto di Schroedinger _________________ Francesco De Martini Dipartimento di Fisica,

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1 Enigmi del mondo quantistico, lentanglement, il teletrasporto, il gatto di Schroedinger _________________ Francesco De Martini Dipartimento di Fisica, Università di Roma La Sapienza ___________________________ Universita ROMA III, 7 Aprile 2005 La Sapienza

2 Galileo presenta il cannocchiale al Senato della Repubblica veneta (1609)

3 1609: Galileo presenta il suo cannocchiale Loggetto: la Via Lattea, le nebulose, i 4 satelliti di Giove Lo strumento amplificatore: il cannochiale Lo strumento di misura: locchio ________________________ La matematica [leggi di Keplero: (geometria), della caduta dei gravi (calcolo differenziale) etc.] e strumento per classificare i fenomeni, creare modelli teorici, formulare previsioni.

4 1900: Fisica dei quanti: Planck, Einstein, Bohr, Dirac Tutti i processi di interazione tra i corpi (i campi di forza) sono quantizzati: [particelle elementari: fotoni, elettroni etc.] L osservazione perturba il fenomeno: [Indeterminazione di Heisenberg] La matematica domina la struttura della teoria [Carattere ontologico della funzione donda | >] Prevalenza della teoria matematica delle simmetrie: [Le particelle elementari sono: nodi di invarianti originate da corrispondenti: symmetry breakings]

5 Teoria quantistica Dai fotoni, atomi, molecole, alle particelle elementari alla strutture cosmologiche dellUniverso: Esempio: La legge di Planck della distribuzione di corpo nero della radiazione fossile a 2.7 K prevede le piccole fluttuazioni nel corso dellinflazione e le radiaziione termica dai black holes (W.Hawking)

6 Conferenza di Solvay (1927)

7 Lo scopo della nostra descrizione della natura non e il cercare lessenza reale dei fenomeni ma soltanto lindagare con la massima profondita possibile le relazioni tra i molteplici aspetti della nostra esperienza. Niels Bohr (1934)

8 Nulla possiamo pensare di un qualsiasi oggetto se non della possibilita delle sue connessioni con altre cose… L.Wittgenstein, Tractatus Se quella certa cosa che noi chiamiamo essere e non-essere consiste nellesistenza o non-esistenza di connessione tra elementi, allora non ha senso parlare di essere o non essere di questi elementi… L.Wittgenstein, Philosophical investigations.

9 (XIX secolo) I campi nello spazio vuoto hanno realta fisica. Ma non il mezzo che li sostiene (etere) (XXI secolo) Le correlazioni hanno realta fisica. Ma non i sistemi correlati. David Mermin (IIQM: Ithaca interpretation of quantum mechanics)

10 A phenomenon is not a phenomenon until is a measured phenomenon… J. A. Wheeler Esiste la luna in cielo se io non la guardo ? A.Einstein _____________________ Ossia, esistono le proprieta oggettive, gli elements of physical reality (Einstein) ? NO

11 Zurek, Physics Today, October 1991, page 38 La frontiera fra il mondo classico e quello quantistico

12 Il Reale velato B. DEspagnat

13 Linformazione e fisica R.Landauer La fisica e informazione (espressa esclusivamente dalla matematica funzione donda)

14 La funzione donda Funzione matematica soluzione dellequazione di Schroedinger ______________ Qubit (Quantum bit) Unità fondamentale dellInformazione Quantistica

15 Dinamica di -Processo U : Evoluzione deterministica: equazione di Schroedinger. (Trasformazione lineare unitaria) -Processo R: Riduzione quantistica, Misurazione. Processo non-unitario che accompagna la realizzazione di ogni fenomeno quantistico (Ossia, ogni transizione dal mondo quantistico al mondo classico dellosservatore).

16 It from bit La realta e creata anche dalle nostre domande John Arcibald Wheeler

17 Informazione quantistica: prospettiva reduzionista ed ermeneutica della fisica moderna Ossia, intesa alla conoscenza ed alla interpretazione dei fenomeni elementari

18 Correlazioni tra campi LInterferenza …the heart of quantum mechanics. In reality it contains the only mystery... R.P.Feynman (1965)

19 Interferenza a singola particella parete a 2 fenditure Sorgente A B schermo

20 Interferenza a singola particella parete Sorgente A B otturatore

21 Interferenza a singola particella parete Sorgente A B otturatore

22 Interferenza a singola particella parete Sorgente A B otturatore

23 Interferenza a singola particella parete Sorgente Probabilità di rivelare una particella P A (x) A B otturatore

24 Interferenza a singola particella parete Sorgente Probabilità di rivelare una particella P B (x) A B otturatore

25 Comportamento classico parete Sorgente A B Probabilità di rivelare una particella P(x) = P A (x) + P B (x)

26 Interferenza quantistica A B Probabilità totale di rivelare una particella P(x) Frange di interferenza Da quale fenditura passa il fotone ? Da entrambe ! Sorgente

27 Il principio di sovrapposizione ________ In fisica classica si sommano le probabilita:

28 Interferenza quantistica Fisica classica: Fisica classica: una particella può viaggiare lungo il cammino A o lungo il cammino B Fisica quantistica: Fisica quantistica: una particella può viaggiare lungo il cammino A e lungo il cammino B contemporaneamente La particella si trova in uno stato di sovrapposizione delle due traiettorie. La funzione donda che caratterizza il sistema si scrive

29 Molto generalmente, in tutti gli spazi delle variabili dinamiche quantistiche del sistema fisico: Feynman paths interference _______________ Suggestioni poetiche: Italo Calvino: Le citta invisibili Yorge Luis Borges: Il giardino dei sentieri che si biforcano (in Finzioni)

30 La funzione donda Funzione matematica soluzione dellequazione di Schroedinger ______________ Qubit (Quantum bit) Unità fondamentale dellInformazione Quantistica

31 Dinamica di -Processo U : Evoluzione deterministica: equazione di Schroedinger. (Trasformazione lineare unitaria) -Processo R: Riduzione quantistica, Misurazione. Processo non-unitario che accompagna la realizzazione di ogni fenomeno quantistico (Ossia, ogni transizione dal mondo quantistico al mondo classico dellosservatore).

32 Paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (EPR 1935)

33 Luna: BOB Marte: ALICE 2 fotoni nello stato B A

34 Erwin Schroedinger ( ) Commento su EPR (1935)

35 Interferenza di 2 particelle: Entanglement quantistico (non-località) Stato-prodotto: comportamento locale

36 Perché la trasformazione non è possibile No cloning theorem: Questo è uno dei NO GO theorems della Meccanica Quantistica Tuttavia il TELETRASPORTO QUANTISTICO…. E possibile usare le correlazioni quantistiche non locali per stabilire una comunicazione superluminale fra A e B ? NO!

37 BOB ALICE D VL * D HR * DVDV DHDH DLDL DRDR WAVE PLATE POLARIZING BEAM SPLITTER POLARIZING BEAM SPLITTER POLARIZING BEAM SPLITTER BASIS CHOICE BEAM SPLITTER EPR SOURCE CLONING MACHINE FLASH N. Herbert, 1982

38 Ho sentito dire che il teletrasporto non permette di clonare Mah, Non è detto !

39 Teletrasporto quantistico BOB Canale classico B A S ALICE VICTOR UBUB

40 Teletrasporto quantistico Originale Osservazione (Misura) Originale distrutto Operazione opportuna Replica teletrasportata delloriginale Informazione Classica 10 Coppia Entangled

41 Teletrasporto dello stato di un fotone (Roma -1997) ALICE BOB

42 Perché non osserviamo stati di sovrapposizione, entanglement e fenomeni non-locali nel mondo macroscopico, quello della nostra vita ? DE-COERENZA !

43 Zurek, Physics Today, October 1991, page 38 La frontiera fra il mondo classico e quello quantistico

44 Il paradosso del Gatto di Schroedinger Erwin Schroedinger ( ) Un sistema microscopico può trovarsi in uno stato di sovrapposizione. Un sistema macroscopico (per esempio un gatto) può trovarsi in uno stato di sovrapposizione ? Sistema atomico

45 Il paradosso del Gatto di Schroedinger

46

47 High gain 1- photon Amplification Generation of Schrödinger Cat states De Martini, Sciarrino, (in preparation) Transfer of the quantum superposition condition affecting the input single-particle to a multi-particle quantum state

48 Z 0 > 1 > X Y Amplification of a single photon with a high gain amplifier

49 Superficie del sole6000 K Ebollizione dellacqua K Temperatura ambiente295 K circa Congelamento dellacqua K Liquefazione dellazoto77.36 K Liquefazione dell 4 He4.215 K Temperatura dello spazio3.1 K Doppler cooling K (100µK) Typical laser cooling K (10µK) Refined laser cooling < K (170nK) T = 0 Kelvin : zero assoluto

50 Fisica Atomica: LASER cooling Il LASER cooling è un metodo per raffredare un gas, tipicamente atomi di metallo a bassa di temperatura (Rubidio, Sodio, Cesio) a temperature di alcuni K.

51 Fisica Atomica: LASER cooling Premio Nobel per la Fisica 1997 Steven Chu, Stanford University, Stanford, USA Claude Cohen-Tannoudji, College de France William D. Phillips, National Institute of Standards, USA per lo sviluppo delle tecniche di raffredamento e intrappolamento degli atomi con luce laser." Temperatura raggiunta 2.5 K

52 Bose Einstein Condensation LASER I fotoni di un LASER sono identici Si trovano nello stesso stato Fenomeno di natura quantistica Si può osservare lo stesso fenomeno per gli atomi ma ad una temperatura estremamente bassa (a circa 100 nK = nK) Questo fenomeno si chiama condensazione di Bose-Einstein Gas di atomi Condensato di Bose-Einstein T = 100 nK

53 Bose Einstein Condensation Diminuzione della Temperatura

54 Orazio: …..per il giorno e la notte, questo e miracoloso e strano. Amleto: ci sono piu cose in cielo e terra, Orazio, di quante se ne sognano nella tua Filosofia. Shakespeare

55 Wholeness and the Implicate Order David Bohm

56 …Nellordine chio dico sono accline tutte nature, per diverse sorti, piu al principio loro e men vicine; onde si muovono a diversi porti per lo gran mar dellessere, e ciascuna con istinto a lei dato che la porti… Dante, Paradiso I


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