36 Le Scienze 516 agosto 2011 www.lescienze.it Le Scienze 37

Illus

trazio

ne d

i Jus

tin V

an G

ende

ren

Vlatko Vedral ha elaborato un nuovo metodo per quantificare l’entanglement quantistico, che ha applicato a sistemi fisici macroscopici. Dal giugno 2009 è professore di fisica all’Università di Oxford e alla National University di Singapore.

fisica

Vivere in un mondo quantistico

I n b r e v e

La meccanica quantistica è considerata una teoria del mondo microscopico abitato da molecole, atomi e particelle subatomiche.Quasi tutti i fisici, però, ritengono

che la meccanica quantistica si applichi a ogni scala. Se i suoi effetti peculiari svaniscono, non è solo una questione di dimensioni.In anni recenti, i fisici hanno

osservato effetti quantistici in un numero sempre più ampio di sistemi macroscopici. L’effetto quantistico per antonomasia, l’entanglement, può

verificarsi anche in sistemi caldi ed estesi, compresi gli organismi viventi, anche se potrebbe essere distrutto dal movimento delle molecole.

S econdo i libri di fisica più comuni, la meccanica quantistica è la teoria del mondo microscopico. Descrive particelle, atomi e molecole, ma alla scala macroscopica delle pere, delle persone e dei pianeti cede il passo all’ordinaria fisica classica. Un punto intermedio tra molecole e pere segna il confine in cui le bizzarrie del comportamento quantistico finiscono, e inizia il familiare mondo della fisica classica. L’opinione secondo cui la meccanica quantistica si applichi solo al mondo microscopico è diffusa nella percezione pubblica della scienza. Per esempio Brian Greene, fisico del-la Columbia University, scrive sulla prima pagina del suo fortunatissimo – ed eccellente – libro L’universo elegante che la meccanica quantistica «ci permette di capire l’universo alle scale più piccole». La fisica classica, che comprende ogni teoria non quantistica, inclusa la teoria della relatività di Albert Einstein, è valida a scale più grandi.

di Vlatko Vedral

La meccanica quantistica non riguarda solo le piccole particelle subatomiche, ma anche piante, uccelli e forse esseri umani

38 Le Scienze 516 agosto 2011 www.lescienze.it Le Scienze 39

Ma questa comoda divisione del mondo è fittizia. Oggi pochi fi-sici oggi ritengono che la fisica classica abbia uno status equiva-lente a quello della meccanica quantistica; è solo un’utile approssi-mazione di un mondo che rispetta la meccanica quantistica a tutte le scale. Forse gli effetti quantistici sono meno visibili nel mondo macroscopico: ma negli ultimi trent’anni i fisici teorici hanno ca-pito che questo non dipende dalla dimensione in sé, ma da come interagiscono i sistemi quantistici. Fino a dieci fa, gli esperimen-ti non avevano ancora confermato la validità del comportamento quantistico a scale macroscopiche. Oggi, invece, le conferme sono quotidiane. Gli effetti sono più pervasivi di quanto ci si potrebbe aspettare, potrebbero addirittura influenzare le nostre cellule.

Anche chi, come noi, ha studiato questi effetti, deve ancora as-similare il loro significato dal punto di vista dei sistemi naturali. Il comportamento quantistico inganna la visualizzazione e il senso comune. Ci obbliga a ripensare il modo in cui guardiamo l’univer-so e ad accettare un’immagine del mondo nuova e inconsueta.

Un racconto intricatoPer un fisico quantistico, la fisica classica è una versione in bian-

co e nero di un mondo in technicolor. Le nostre categorie classi-che non percepiscono la ricchezza di quel mondo. Nella prospettiva dei vecchi manuali, le sfumature scompaiono quando le dimensio-ni spaziali aumentano. Le singole particelle si comportano in modo quantistico; in gruppo, si comportano secondo la fisica classica. Ma

i primi indizi che questa concezione sia sbagliata risalgono a uno dei più celebri esperimenti mentali: il gatto di Schrödinger.

Schrödinger citò per la prima volta il suo esempio nel 1935 per illustrare come il mondo microscopico e quello macroscopico in-teragiscano, impedendo che tra i due mondi fosse tracciata una frontiera arbitraria. Secondo la meccanica quantistica, un atomo radioattivo può essere sia decaduto sia non decaduto allo stesso tempo. Se l’atomo è legato alla boccetta del veleno per gatti, in modo che se l’atomo decade il gatto muore, allora anche l’anima-le finisce nello stesso limbo quantistico dell’atomo. La stranezza del comportamento dell’atomo contagia il comportamento del gat-to. La dimensione non conta. Ma perché i padroni di gatti vedono i loro cari animali solo vivi o morti?

Dal punto di vista della fisica moderna, il fattore decisivo è l’in-terazione complessa tra ogni oggetto e ciò che lo circonda, che contribuisce a nascondere gli effetti quantistici ai nostri occhi. L’informazione sullo stato di salute di un gatto, per esempio, è co-municata all’esterno sotto forma di fotoni e di scambio di calore. I fenomeni tipicamente quantistici riguardano combinazioni di di-versi stati classici (come vivo o morto) e queste combinazioni ten-dono a dissolversi. L’informazione che percepiamo è quella descrit-ta dalla fisica classica: condizioni ben definite come vivo o morto. La perdita di informazione è la conseguenza principale di un pro-cesso noto come decoerenza quantistica.

Gli oggetti più grandi sono più soggetti alla decoerenza rispet- Font

e gr

afic

o: E

ntan

gled

qua

ntum

sta

te o

f mag

netic

dip

oles

, di S

. Gho

sh e

altr

i, in

«Na

ture

», V

ol. 4

25, 4

set

tem

bre

2003

to a quelli più piccoli, perché tendono a comunicare una maggior quantità di informazione: i fisici quindi se la cavano declassando la meccanica quantistica a teoria del mondo microscopico. Ma in molti casi la perdita di informazione può essere rallentata o ferma-ta, e in quelle occasioni il mondo quantistico appare in tutto il suo splendore. L’effetto quantistico per antonomasia è l’entanglement, termine introdotto da Schrödinger nello stesso articolo del 1935 in cui presentava al mondo il suo gatto. L’entanglement quantistico lega le singole particelle in un tutto inseparabile. Un sistema classi-co è sempre separabile, almeno in linea di principio; qualunque sua proprietà collettiva deriva dalle proprietà dei singoli elementi co-stitutivi. Ma un sistema in cui sia presente l’entanglement non può essere scomposto nello stesso modo, e porta a strane conseguenze. Anche quando le particelle non separabili sono lontane, si compor-tano come un’unica entità a causa di un’«azione fantasmatica a di-stanza», secondo la celebre definizione di Einstein.

In genere, i fisici parlano di entanglement di particelle come gli elettroni. Queste particelle si possono immaginare come picco-

e n ta n g l e m e n t m ac r o s c o p I c o

Sale quantisticoPer lungo tempo i fisici hanno ritenuto che gli effetti caratteristici della meccanica quantistica fossero visibili solo al livello delle singole parti-celle e che gruppi estesi di particelle si comportassero secondo la fisi-ca classica. Esperimenti recenti hanno mostrato che la verità è un’al-tra. Normalmente gli atomi in un cristallo di sale sono orientati in ogni direzione (in basso a sinistra) e si allineano quando si applica un campo magnetico. Ma si allineano più velocemente di quanto previsto dalla fi-sica classica (al centro). Evidentemente il fenomeno quantistico dell’en-tanglement – l’«azione fantasmatica» che coordina le proprietà di par-ticelle lontane tra loro – aiuta gli atomi ad allinearsi (a destra). Il ruolo dell’entanglement quantistico è rivelato da una misura delle proprietà magnetiche del cristallo (grafico).

Ris

post

a al

cam

pom

agne

tico

Temperatura (kelvin)

Bassa

Alta

10010–1

Previsione secondo la fisica classicaPrevisione secondo la meccanica quantisticaRisultati osservati

La sfida del sale alle previsioni della fisica classica

SmagnetizzatoMagnetizzato(previsione quantistica)

Magnetizzato (previsione classica)

le trottole che ruotano in senso orario o antiorario, con l’asse diret-to in una qualsiasi direzione: orizzontalmente, verticalmente, a 45 gradi e così via. Per misurare il momento angolare di una particel-la occorre scegliere una direzione, e poi controllare se la particella ruota intorno a quella direzione.

Supponiamo che gli elettroni si comportino in maniera classica. Si potrebbe orientare il momento angolare di due elettroni lungo la direzione orizzontale, uno in senso orario e l’altro in senso an-tiorario; in questo modo, il momento angolare totale sarebbe nul-lo. I loro assi rimangono fissi nello spazio e, quando si effettua la misurazione, il risultato dipenderà dall’allineamento tra la direzio-ne scelta e l’asse delle particelle. Se le si misura in senso orizzon-tale, risulterà che esse ruotano in direzione opposta; se le si misura verticalmente, nessuna delle due apparirà in rotazione.

Per gli elettroni quantistici, invece, la situazione è sorprendente-mente diversa. Si può fissare il momento angolare totale delle par-ticelle in modo che risulti nullo anche senza specificare i momen-ti angolari dei singoli elettroni. Misurando il momento angolare di una particella, essa risulterà ruotare in senso orario o antiora-rio con uguale probabilità. È come se ogni particella decidesse per conto suo in quale senso ruotare. Tuttavia, qualunque sia la dire-zione scelta (a condizione che sia la stessa per entrambe), esse ruo-teranno sempre in senso opposto, orario per una e antiorario per l’altra. Come ci riescano è un mistero assoluto. Inoltre, se si misu-ra il momento angolare in direzione orizzontale per una particella e in direzione verticale per l’altra, si osserverà un valore diverso da zero in ciascuna; in apparenza le particelle non hanno un asse di rotazione costante. Quindi i risultati della misurazione coincidono in un modo che la fisica classica non è in grado di spiegare.

Agire come una cosa solaLa maggior parte delle osservazioni dell’entanglement riguarda

un ristretto gruppo di particelle, perché è difficile isolare dall’am-biente circostante insiemi più grandi di particelle. Le particelle al loro interno diventano entangled con maggiore probabilità a par-ticelle isolate, nascondendo così la loro interconnessione primiti-va. Nel linguaggio della decoerenza quantistica, si perde troppa in-formazione verso l’esterno e quindi il sistema si comporta in modo classico. Il problema principale per i ricercatori che tentano di usa-re questi effetti a scopo pratico, per esempio computer quantistici, riguarda proprio la difficoltà a conservare l’entanglement.

Un esperimento del 2003 ha mostrato che anche sistemi più grandi possono conservare l’entanglement quando la perdita di in-formazione è ridotta, o bilanciata in qualche modo. Gabriel Aeppli, dello University College di Londra, aveva collocato un sale compo-sto da fluoruro di litio in un campo magnetico esterno. Potete im-maginare gli atomi del sale come piccoli magneti rotanti che cer-cano di allinearsi con il campo esterno, un fenomeno noto come «suscettibilità magnetica». Le forze che gli atomi esercitano l’uno sull’altro agiscono come una pressione reciproca che ne accelera l’allineamento. Variando la forza del campo magnetico, Aeppli ha misurato la velocità dell’allineamento degli atomi, scoprendo che rispondevano molto più velocemente di quanto suggerirebbe l’in-tensità delle loro mutue interazioni. Evidentemente, qualche effet-to ulteriore ha aiutato gli atomi a muoversi all’unisono, e secondo Aeppli il colpevole è l’entanglement. Se ciò è vero, i 1020 atomi del sale hanno formato uno stato fortemente entangled.

Per evitare gli effetti del disordine associato all’agitazione ter-mica, Aeppli ha condotto gli esperimenti a temperature estrema-mente basse, pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Suc-

pa r a d o s s o q ua n t I s t I c o

Osservare l’osservatoreL’idea che la meccanica quantistica si applichi a tutta la materia dell’univer-so, anche a noi esseri umani, può condurre a strane conclusioni. Conside-riamo una variante del celebre esperimento mentale del gatto di Schrödin-ger proposta nel 1961 dal premio nobile Eugene P. Wigner e su cui ha lavorato David Deutsch, dell’Università di Oxford.Supponiamo che un fisico sperimentale particolarmente abile, Alice, metta il suo amico Carlo in una stanza con un gatto, un atomo radioattivo e del ve-leno per gatti che è rilasciato se l’atomo decade. Ipotizziamo di avere una persona nella stanza perché così possiamo comunicare con lei, visto che avere risposte dai gatti non è così facile. Dal punto di vista di Alice, l’ato-mo entra in uno stato in cui è sia decaduto sia non decaduto, in modo che il gatto sia morto e vivo allo stesso tempo. Carlo, invece, può osservare il gat-to direttamente, e lo vede o in un modo o nell’altro. Alice infila un biglietto sotto la porta e chiede a Carlo se il gatto sia in uno stato ben definito. Carlo risponde «sì». Si noti che Alice non chiede se il gatto sia vivo o morto perché dal suo punto di vista una domanda simile forzerebbe il risultato o, come di-cono i fisici, «collasserebbe» lo stato. Le basta sapere che il suo amico vede il gatto vivo o morto e non chiede in quale stato si trovi.Dato che Alice non ha collassato lo stato, secondo la teoria quantistica in-filare il biglietto sotto la porta è un processo reversibile. Alice può annulla-re tutte le operazioni compiute. Se il gatto era morto, ora tornerebbe in vita, il veleno sarebbe nella boccetta, la particella non sarebbe decaduta e Carlo non ricorderebbe di aver mai visto un gatto morto.Tuttavia rimarrebbe una traccia: il biglietto. Alice può annullare l’osserva-zione in un modo che lo lasci intatto. Alice leggerebbe sul biglietto la paro-la «sì», che testimonierebbe che Carlo ha certamente osservato il gatto vi-vo o morto.Tutto questo conduce a una conclusione sorprendente. Alice ha potuto in-vertire l’osservazione perché, dal suo punto di vista, ha evitato di collassa-

re lo stato; rispetto a lei, Carlo era in uno stato indeterminato quanto quello del gatto. Ma l’amico all’interno della stanza aveva pensato che lo stato fos-se collassato. Ha osservato un dato ben definito, lo prova il biglietto. In que-sto modo, l’esperimento illustra due principi apparentemente contraddittori. Alice crede che la meccanica quantistica si applichi agli oggetti macrosco-pici: non solo i gatti, anche Carlo può trovarsi nel limbo quantistico. Carlo crede che i gatti siano solo vivi o morti.Un esperimento del genere con un essere umano rappresenterebbe una sfida scoraggiante, ma gli scienziati sono in grado di compiere un’opera-zione analoga con un sistema più semplice. Anton Zeilinger dell’Universi-tà di Vienna invia un fotone contro uno specchio di grandi dimensioni. Se il fotone viene riflesso, lo specchio rimbalza all’indietro, se il fotone è tra-smesso, lo specchio resta immobile. Il fotone svolge la funzione dell’ato-mo che decade: può esistere simultaneamente in più di uno stato. Lo spec-chio, costituito da miliardi di atomi, si comporta come il gatto e come Carlo. Rimbalza o meno allo stesso modo in cui il gatto vive o muore ed è osser-vato vivo o morto da Carlo. Il processo può essere invertito riflettendo il foto-ne di nuovo verso lo specchio. A scale più piccole, i gruppi diretti da Rainer Blatt, dell’Università di Innsbruck, e da David J. Wineland, dello statunitense National Institute of Standards and Technology di Boulder, in Colorado, han-no invertito le misurazioni di ioni oscillanti in una trappola ionica.Nell’elaborare questo perverso esperimento mentale, Wigner e Deutsch hanno seguito i passi di Erwin Schrödinger, Albert Einstein e altri teorici se-condo i quali i fisici devono ancora capire la meccanica quantistica nel suo senso più profondo. Per decenni, la maggioranza dei fisici non si è preoccu-pata di questo aspetto perché le questioni fondamentali non avevano effet-to sulle applicazioni pratiche della teoria. Ma oggi che possiamo fare dav-vero esperimenti del genere, capire la meccanica quantistica è diventato un obiettivo quanto mai urgente.

www.lescienze.it Le Scienze 4140 Le Scienze 516 agosto 2011

Illus

trazio

ne d

i Geo

rge

Rets

eck

fermò che in oggetti con massa maggiore di 20 microgrammi la meccanica quantistica deve cedere il passo alla fisica classica a causa della gravità, e tre fisici italiani, Giancarlo Ghirardi e Tullio Weber dell’Università di Trieste e Alberto Rimini dell’Università di Pavia, hanno ipotizzato che grandi insiemi di particelle si compor-tino spontaneamente secondo le leggi della fisica classica.

Ma ora gli esperimenti lasciano poco margine di possibilità a si-mili processi. La divisione tra il mondo quantistico e quello classi-co non sembra essenziale. È solo una questione di ingegnosità spe-rimentale, e oggi solo pochi fisici ritengono che la fisica classica tornerà a essere usata per una qualsiasi scala spaziale. Tra l’altro, secondo l’opinione generale, se una teoria ancora più profonda prenderà il posto della meccanica quantistica produrrà un’imma-gine del mondo ancora più controintuitiva di quanto abbiamo vi-sto fino a oggi.

Quindi, il fatto che la meccanica quantistica sia valida a tutte le dimensioni ci obbliga ad affrontare i misteri più profondi del-la teoria. Non possiamo semplicemente relegarli a semplici det-tagli che contano solo a scale molto piccole. Per esempio, spazio e tempo sono tra i concetti fondamentali della fisica classica, ma secondo la meccanica quantistica sono secondari. L’entanglement invece è un concetto primario, collega sistemi quantistici senza fa-re riferimento allo spazio e al tempo. Se un confine netto separas-se il mondo classico da quello quantistico, potremmo usare lo spa-zio e il tempo del mondo classico come riferimento per descrivere i processi quantistici. Ma senza questa divisione, e senza un vero mondo classico, questo riferimento è assente. Dobbiamo spiegare lo spazio e il tempo come grandezze che emergono da una fisica sostanzialmente priva di tempo e di spazio.

Quell’intuizione, a sua volta, potrebbe aiutare a riconciliare la fisica quantistica con l’altro grande pilastro della fisica, la teoria

generale della relatività di Albert Einstein, che descrive la forza di gravità in termini di

geometria dello spazio-tempo. La relatività generale presuppo-ne che gli oggetti abbiano posizioni definite e non occupino due posizioni allo stesso tempo, in contrasto con la fisica quantisti-ca. Molti fisici, come Stephen Hawking dell’Università di Cambrid-ge, ritengono che la relatività debba essere sostituita da una teoria più profonda in cui spazio e tempo non esistono. Lo spazio-tem-po classico emergerebbe dall’entanglement quantistico attraverso il processo di decoerenza.

Una possibilità ancora più interessante è che la gravità non sia una forza in sé, ma il rumore residuo proveniente dalle fluttuazio-ni quantistiche delle altre forze nell’universo. L’idea di una «gravi-tà indotta» risale agli anni sessanta, ed è dovuta al fisico nucleare e dissidente sovietico Andrei Sacharov. Se fosse confermata, non so-lo sottrarrebbe alla gravità lo status di forza fondamentale, ma im-plicherebbe anche che gli sforzi per «quantizzare» la gravità sono inutili. La gravità potrebbe addirittura non esistere a livello quan-tistico. Il limbo quantistico in cui potrebbero trovarsi corpi macro-scopici come il nostro confonde noi fisici e ci mette in uno stato entangled di turbamento e meraviglia. n

cessivamente, Alexandre Martins de Souza, del Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas di Rio de Janeiro, ha osservato l’entanglement macroscopico in materiali come il carbossilato di rame a tempe-ratura ambiente, o addirittura più alta. In questi sistemi, l’intera-zione tra i momenti angolari delle particelle è abbastanza intensa da opporsi al caos termico. In altri casi, una forza esterna scher-ma gli effetti termici. Il fisico brasiliano ha osservato l’entangle-ment in sistemi di dimensioni e temperature sempre più alte, dagli ioni intrappolati in campi magnetici agli atomi ultrafreddi su reti-colo, fino ai bit quantistici superconduttivi (si veda il box nella pa-gina a fronte).

Questi sistemi somigliano al gatto di Schrödinger. Consideriamo un atomo o uno ione. I loro elettroni possono trovarsi allo stes-so tempo vicino o lontano dal nucleo, o in en-trambe le posizioni. Questi elettroni agiscono co-me l’atomo radioattivo nell’esperimento mentale di Schrödinger. Indipendentemente da ciò che fa l’elettrone, l’atomo potrebbe muoversi a destra o a sinistra. Il moto svolge la funzione del gatto vi-vo o morto. Manipolando l’atomo con un laser, i ricercatori possono accoppiare le due proprietà. Se l’elettrone è vicino al nucleo, spostano l’ato-mo verso sinistra, mentre se l’elettrone è lonta-no spostano l’atomo verso destra. Quindi lo sta-to dell’elettrone è legato al movimento dell’atomo, come il decadimento radioattivo è legato allo sta-to del gatto. Il felino vivo e morto allo stesso tem-po è rappresentato da un atomo che si muove sia verso sinistra sia verso destra.

Altri esperimenti sfruttano questa stessa idea a scala più gran-de, in modo che grandi quantità di atomi siano entangled e si tro-vino in stati non accessibili secondo la fisica classica. E se i solidi possono essere entangled anche a temperature e dimensioni eleva-te, diventa naturale chiederci se ciò non possa valere anche per un sistema macroscopico caldo molto speciale: la vita.

Gli uccelli di SchrödingerI pettirossi sono piccoli uccelli laboriosi. Ogni anno, dalla Scan-

dinavia migrano verso le calde pianure dell’Africa equatoriale per fare ritorno in primavera, quando il clima scandinavo è più tolle-rabile. I pettirossi percorrono questo viaggio di andata e ritorno di 13.000 chilometri con naturalezza.

L’uomo si è sempre chiesto se uccelli e altri animali potessero contare su qualche bussola naturale. Negli anni settanta, i coniugi Wolfgang e Roswitha Wiltschko dell’Università di Francoforte cat-turarono pettirossi che stavano migrando in Africa e li immersero in un campo magnetico artificiale. Scoprirono che, stranamente, i pettirossi erano indifferenti all’inversione della direzione del cam-po magnetico, dimostrando di non saper distinguere il nord dal sud. Gli uccelli, però, reagivano all’inclinazione del campo magne-tico terrestre, cioè all’angolo che le linee del campo formano con la superficie. È tutto quello di cui hanno bisogno per navigare. Curio-samente, con gli occhi coperti i pettirossi non rispondono al cam-po magnetico, dimostrando che, in qualche modo, «percepiscono» il campo con gli occhi.

Nel 2000 il fisico Thorsten Ritz, all’epoca alla University of Sou-thern Florida, propose una spiegazione del fenomeno fondata sull’entanglement. Secondo Ritz, che si basava sulle precedenti ri-cerche di Klaus Schulten dell’Università dell’Illinois, l’occhio di un uccello ha una molecola in cui due elettroni formano una coppia

entangled con momento angolare totale nullo. Questa situazione non può essere descritta dalla fisica classica. Quando la moleco-la assorbe la luce visibile, gli elettroni ricevono abbastanza ener-gia da separarsi e diventare suscettibili a influenze esterne, come il campo magnetico terrestre. Se il campo magnetico è inclinato, in-fluisce in modo diverso sui due elettroni, creando uno squilibrio che cambia la reazione chimica a cui è soggetta la molecola. Le re-azioni chimiche nell’occhio traducono questa differenza in un im-pulso neurologico, che a sua volta produce un’immagine del cam-po magnetico nel cervello dell’uccello.

Sebbene la prova del meccanismo proposto da Ritz sia mol-to specifica, Christopher T. Rogers e Kiminori Maeda dell’Univer-sità di Oxford hanno studiato in laboratorio (e non nell’anima-

le vivo) molecole simili a quella studiata da Ritz, dimostrando che queste molecole sono veramen-te sensibili al campo magnetico a causa dell’en-tanglement elettronico. Secondo i miei calcoli, nell’occhio dell’uccello gli effetti quantistici dura-no circa 100 microsecondi, che in questo contesto è un intervallo di tempo piuttosto lungo. Il prima-to per un sistema elettronico artificiale è di circa 50 microsecondi. Non sappiamo ancora come un sistema naturale riesca a conservare così a lungo gli effetti quantistici, ma la risposta potrebbe dar-ci qualche idea per proteggere dalla decoerenza i computer quantistici.

La fotosintesi, il processo grazie a cui le pian-te convertono la luce del Sole in energia chimica, è un altro processo biologico in cui potrebbe opera-

re l’entanglement quantistico. La luce espelle gli elettroni che si tro-vano all’interno delle cellule vegetali, e tutti gli elettroni cercano la strada verso lo stesso punto: il centro della reazione chimica in cui possono depositare la loro energia e avviare le reazioni che alimen-tano le cellule vegetali. La fisica classica non riesce a spiegare l’effi-cienza quasi perfetta del comportamento degli elettroni.

Secondo gli esperimenti condotti da Graham R. Fleming e Mo-han Sarovar dell’Università della California a Berkeley e da Grego-ry D. Scholes dell’Università di Toronto, la meccanica quantistica è all’origine dell’alta efficienza del processo. Nel mondo quantistico, una particella non deve percorrere una sola traiettoria per volta: può percorrerle tutte simultaneamente. Il campo elettromagnetico all’interno delle cellule delle piante può far sì che alcune traietto-rie si cancellino a vicenda e che altre si rinforzino, riducendo dun-que la probabilità che l’elettrone prenda una strada inutilmente più lunga e aumentando la probabilità di indirizzare l’elettrone di-rettamente al centro della reazione.

L’entanglement dovrebbe durare solo una frazione di secondo e riguardare molecole composte da non più di circa 100.000 atomi. Ci sono in natura esempi di entanglement di dimensioni e di dura-ta maggiori? Non lo sappiamo, ma l’interrogativo è abbastanza in-trigante da stimolare la nascita di una nuova disciplina: la biolo-gia quantistica.

Il significato di tutto questoSecondo Schrödinger, l’esistenza di gatti vivi e morti allo stes-

so tempo era un’idea assurda; una teoria che implicasse simi-li previsioni doveva essere sbagliata. Generazioni di fisici hanno incontrato la stessa difficoltà e hanno creduto che la meccani-ca quantistica non sarebbe risultata valida a scale di dimensioni maggiori. Nel 1980 Roger Penrose, dell’Università di Oxford, af-

e s p e r I m e n t I d I p u n ta

Le dimensioni non contanoGli effetti quantistici non sono limitati alle particelle subatomiche, ma si manifestano anche in esperimenti su sistemi più grandi e più caldi.

CoSa Quando Gradi Chi

Figura di interferenza per il fullerene, prima dimostrazione che le molecole, come le particelle elementari, si comportano come onde

1999 900-1000 kelvin

Markus Arndt e Anton Zeilinger (Università di Vienna)

Entanglement di milioni di miliardi di atomi dedotto dalla suscettività magnetica di carbossilati metallici

2009 630 K Alexandre Martins de Souza (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas)

Scoperta dell’aumento dell’efficienza della fotosintesi dovuto a effetti quantistici in due specie di alghe marine

2010 294 K Elisabetta Collini e altri (Università di Toronto, del Nuovo Galles del Sud e di Padova)

nuovo record di osservazione di effetti quantistici in molecole giganti, come una molecola di forma tentacolare con 430 atomi

2011 240-280 K Stefan Gerlich e Sandra Eibenberger (Università di Vienna)

Tre bit quantistici entangled in un circuito superconduttivo. La procedura può creare sistemi quantistici di ogni dimensione

2010 0,1 K Leonardo DiCarlo e Robert J. Schoelkopf (Yale University e Università di Waterloo)

oscillazione forzata di una tavoletta elastica di 40 micrometri (appena visibile) a due frequenze diverse simultaneamente

2010 25 mK (millikelvin)

Aaron O’Connell e Max Hofheinz (Università della California a Santa Barbara)

Catena entangled di otto ioni calcio confinati in una trappola ionica. oggi i ricercatori riescono a controllarne 14

2005 0,1 mK Hartmut Häffner e Rainer Blatt (Università di Innsbruck)

Moto vibrazionale (ma non proprietà interne come il momento angolare) entangled di ioni berillio e magnesio

2009 0,1 mK John D. Jost e David J. Wineland (National Institute of Standards and Technology)

La divisione tra mondo

quantistico e mondo classico

non sembra essenziale, è solo una questione

di creatività sperimentale

Entangled Quantum State of Magnetic Dipoles. Ghosh S. e altri, in «Nature», Vol. 425, pp. 48-51, 4 settembre 2003. Disponibile all’indirizzo web: arxiv.org/abs/cond-mat/0402456.Entanglement in Many-Body Systems. Amico L., Fazio R., Osterloh A. e Vedral V., in «Reviews of Modern Physics», Vol. 80, n. 2, pp. 517-576, 6 maggio 2008. Disponibile all’indirizzo web: arxiv.org/abs/quant-ph/0703044.Decoding Reality: The Universe as Quantum Information. Vedral V., Oxford University Press, 2010.

p e r a p p r o f o n d I r e