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La meccanica quantistica, un breve viaggio Niente è più vero della fantasia Stefano Olivares Applied Quantum Mechanics Group Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano, Italy [email protected] http://users.unimi.it/aqm 100110101111110110110101010111011101000001101001000111001110011001111101001111 110110110000101000110010111011000010100111110011100101101000101001011011011100 110110001111001011100110001111000100110001010010110000100011010101101101110111 001111110110011111111010000110111001110111100011101011001001011100010001011111 011001010000010011100000101100001010101011111110000111001101001101100011011010 110100001011100110010000100100001001101011101011100111010111111111110101010111 000010111111101000000111100001010000101001110011111000011111001010010101111011 111000100111011111110101010000101111010001000001111010111001011101111100101100 101111011101000010000010010010000100001010001010010100100111111100001110001111 101101000010110000010100100101001000111010100101110010001101110010100110100110 010000111110100100110010100010101100100110000111100110000101000010100001101011 010010011111110011100100111101110100101010101000110011100110101110010111100000 000011010001000001000001100000100000010010101011100001011111110100000011110000 101000010100111001111100001111100101001010111101111100010011101111111010101000 010111101000100000111101011100101110111110010110010111101010010010100101110001 000101010110010101101001101100011011010100100111000001010010010100100011101010 010111001000110111001010011010011001000011111010010011001010001010110010011000 011110011000010100001010000110101101001001111111001110010011110111010010101010 100011001110011010111001011110000000001101000100000100000110000010000001001010 101110000101111111010000001111000010100001010011100111110000111110010100101011 110111110001001110111111101010100001011110100010000011110101110010111011111001 Qu ech Quantum Technology Lab The Big Bell Test - Milano, 29 Novembre 2016 Sommario Gli inizi (Planck & Einstein) Concetti basilari (sovrapposizione e “entanglement”) La meccanica quantistica intorno a noi Cos’è la Fisica La Fisica è la scienza che studia i fenomeni naturali e le leggi che li governano. teoria: leggi, principi, paradigmi,... previsioni teoriche di nuovi fenomeni osservazione della natura e dei fenomeni naturali Cos’è la Fisica Dall’infinitamente piccolo... Planck - fluttuazioni CMB ATLAS @ CERN 2013 ... all’infinitamente grande... ... senza dimenticare la luce! Illuminazione quantistica - INRIM e UniMi Un po’ di storia per iniziare La fisica moderna Nel 1900 Lord Kelvin diede una lezione intitolata “Nubi del diciannovesimo secolo sulla teoria dinamica del calore e della luce”. Le due “nubi oscure” a cui alludeva erano le insoddisfacenti spiegazioni che la fisica di quel periodo poteva dare per due fenomeni... l'esperimento di Michelson-Morley radiazione di “corpo nero” Albert Einstein Max Planck teoria della relatività speciale meccanica quantistica Le origini della fisica quantistica “Fiat lux” (Gen. 1, 3) Lo spettro elettromagnetico Attraversano l’atmosfera? m Hz Il campo elettromagnetico “Tutti sappiamo cos’è la luce, ma spiegarlo non è semplice.” Onda meccanica (corda) Luce La polarizzazione della luce “Tutti sappiamo cos’è la luce, ma spiegarlo non è semplice.” Nel caso della luce quel che oscilla sono il campo elettrico (E) e il campo magnetico (B). Onda meccanica (corda) Luce La frequenza “f ” con cui oscillano è legata al “colore” della luce. La polarizzazione il piano di polarizzazione o polarizzazione (lineare) della luce polarizzazione (lineare) orizzontale (H), verticale (V), +45°, -45° Filtri polarizzatori Analogia “meccanica” (corda oscillante): La corda oscilla liberamente se le griglie sono allineate La corda non oscilla se le griglie sono perpendicolari Filtri polarizzatori Filtri polarizzatori Filtri polarizzatori Filtri polarizzatori Filtro orizzontale (H) H Filtro verticale (V) V+H V Filtri verticale + orizzontale (V+H) BUIO! Le origini della fisica quantistica - il “corpo nero” “Fiat lux” (Gen. 1, 3) Le origini della fisica quantistica - il “corpo nero” “Fiat lux” (Gen. 1, 3) “Bianco/Nero” e “Luminoso/Scuro”… Sfera di metallo Mattone di terracotta “Bianco/Nero” e “Luminoso/Scuro”… Sfera di metallo Mattone di terracotta ∼1300 K Spettrometro http://www.fas.harvard.edu Il “corpo nero” (“black body”) Un qualsiasi corpo ad una data temperatura T emette e assorbe radiazione... ... un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente si chiama “corpo nero”. Il “corpo nero” (“black body”) Un qualsiasi corpo ad una data temperatura T emette e assorbe radiazione... ... un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente si chiama “corpo nero”. La radiazione emessa dal buco è la radiazione di corpo nero! (radiazione di “Hohlraum”, “cavità” in Tedesco) Tutta la radiazione che entra nel foro viene assorbita all’interno della cavità: il foro è un corpo nero! Le origini della fisica quantistica Intensità Teoria classica (fine Ottocento) Misure sperimentali Colore Le origini della fisica quantistica Max Planck Intensità Teoria classica (fine Ottocento) Misure sperimentali Meccanica quantistica (inizi Novecento) Colore Per descrivere lo spettro della lampadina occorre assumere che l’energia venga emessa e assorbita in “quanti discreti”... Le origini della fisica quantistica … per approfondire… L. Belloni Meccanica e S. Olivares Misure sperimentali quantistica “Planck” Novecento) (Ed.(inizi Corriere della Sera, 2016) Colore Per descrivere lo spettro della lampadina occorre assumere che l’energia venga emessa e assorbita in “quanti discreti”... Albert Einstein Max Planck Intensità Teoria classica (fine Ottocento) La via di Einstein al fotone Premio Nobel per la Fisica (1921): “Ad Albert Einstein, per i suoi servizi alla fisica teorica e specialmente per la sua scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico.” (Un punto di vista euristico relativo alla generazione e trasformazione della luce -1905) « Insomma, si può dire che difficilmente troviamo anche uno soltanto dei grandi problemi di cui è ricca la fisica moderna a cui Einstein non abbia dato un contributo significativo. » « Non si può neanche rinfacciargli troppo d’aver mancato talvolta il bersaglio nelle sue speculazioni, come, per esempio, nella sua ipotesi dei quanti di luce, perché infatti non è possibile introdurre concetti davvero nuovi nella più esatta tra le scienze senza prendersi a volte dei rischi. » - Planck, 1913 (Proposta per l’ammissione di Einstein alla prestigiosa Accademia Prussiana) La via di Einstein al fotone Premio Nobel per la Fisica (1921): “Ad Albert Einstein, per i suoi servizi alla fisica teorica e specialmente per la sua scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico.” (Un punto di vista euristico relativo alla generazione e trasformazione della luce -1905) La via di Einstein al fotone Premio Nobel per la Fisica (1921): “Ad Albert Einstein, per i suoi servizi alla fisica teorica e specialmente per la sua scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico.” (Un punto di vista euristico relativo alla generazione e trasformazione della luce -1905) La via di Einstein al fotone (1905) « In realtà, a me sembra che le osservazioni sulla “radiazione di corpo nero”, la fotoluminescenza, la generazione dei raggi catodici tramite luce ultravioletta, e altri fenomeni associati all’emissione o alla trasformazione della luce appaiano più comprensibili assumendo una distribuzione spaziale discontinua dell’energia luminosa. » Planck e Einstein L'emissione e l'assorbimento di energia elettromagnetica di frequenza f da parte di atomi e molecole avviene per dosi discrete multiple di hf. (M. Planck) h = 6.626 10-34 J s “Una radiazione monocromatica di bassa densità si comporta, dal punto di vista termodinamico, come se consistesse di un numero di quanti di energia indipendenti E / hf.” (A. Einstein) Dalla luce ai fotoni Facciamo un conto (E / hf )… potenza puntatore laser laser 10-3 W = 1016 fotoni s-1 10-34 J s 1015 Hz costante di Planck frequenze ottiche Fotoni singoli laser cristallo non-lineare coppie di fotoni con la stessa polarizzazione I fotoni vengono generati a coppie: rivelandone uno si è certi della presenza dell’altro... ... che può essere usato per gli esperimenti! Fotoni singoli Come la radiazione e.m. i fotoni: hanno una frequenza (colore), hanno una direzione di propagazione, hanno una polarizzazione. ... però mostrano caratteristiche “squisitamente” quantistiche! La meccanica quantistica intorno a noi Fisica & informazione L’informazione viene codificata, trasmessa ed elaborata utilizzando sistemi fisici. In ultima analisi, tutti i sistemi fisici sono descritti dalle leggi della meccanica quantistica. L’informazione e la computazione quantistica si occupano di studiare come le proprietà quantistiche dei sistemi fisici possano essere sfruttati per migliorare la codifica, la trasmissione e l’eleborazione dell’informazione. Teletrasporto... quantistico! N ! O Star Trek - No trasporto di materia... - Niente di istantaneo... “Teletrasporto” di informazione da un sistema fisico ad un altro! Esperimento di teletrasporto quantistico,Vienna Crittografia quantistica In Evquesto diolfa zucefata capitolo ze ci occuperemo azzicogora bedi zgeffasgupeu crittografia quantistica. diuvfelfezu. La sicurezza della crittografia quantistica si basa su: - Principio di indeterminazione di Heisenberg (una misura introduce, in generale, un disturbo...). - Entanglement. http://physicsworld.com - L’informazione quantistica non può essere clonata. La meccanica quantistica... intorno a noi La meccanica quantistica è una teoria estremamente raffinata, dal formalismo elegante, in grado di descrivere in modo molto accurato la natura. ... in ultima analisi tutto è quantistico! Niente è più vero della fantasia La realtà è fantasia Gli aspetti più peculiari della meccanica quantistica risiedono in alcune conseguenze delle sue leggi. Ad esempio, un oggetto può trovarsi in due stati ben distinti nello stesso istante... (principio di sovrapposizione). Oppure, due oggetti possono influenzarsi a distanza e istantaneamente... (entanglement, non-località quantistica). La sovrapposizione quantistica Consideriamo ora una “freccia”: Lo stato della freccia è: “su” Lo stato della freccia è: “giù” Questa freccia si trova in una sovrapposizione “su” e “giù”: su & giù ? su & giù La sovrapposizione di onde La sovrapposizione di onde L’entanglement (non-separabilità) L’entanglement, l’intreccio quantistico o nonseparabilità, sta alla base di tutti gli esperimenti che rendono la fisica quantistica così differente dalla fisica classica... Sebbene l’entanglement sia nato come un “problema teorico e di fondamento della meccanica quantistica”, oggi, anche grazie al progresso tecnologico, è diventato una risorsa per l’informazione quantistica. L’entanglement quantistico L’entanglement è una proprietà di due o più sistemi quantistici e si manifesta con correlazioni che non hanno un analogo classico. Le correlazioni tra gli oggetti sono istantanee! L’entanglement quantistico… con i fotoni laser 2 cristalli non-lineari coppie di fotoni con polarizzazione “entangled” I fotoni vengono ancora generati a coppie, però ogni fotone può essere misurato H o V (50%, come testa o croce), ma se uno è misurato H (o V) l’altro sarà sicuramente H (o V), e viceversa (la visione locale realista è violata…)! “Spooky action at a distance” - A. Einstein L’entanglement quantistico… con i fotoni laser 2 cristalli non-lineari coppie di fotoni con polarizzazione “entangled” I fotoni vengono ancora generati a coppie, però ogni fotone può essere misurato H o V (50%, come testa o croce), ma se uno è misurato H (o V) l’altro sarà sicuramente H (o V), eLaboratorio viceversadi (la visione locale realista è violata…)! ottica quantistica dell’Università degli Studi di Milano - photo S. Cialdi “Spooky action at a distance” - A. Einstein L’entanglement quantistico… con i fotoni … to be continued… Grazie per l’attenzione! … to be continued…
