Il fotone potrebbe essere la più familiare delle particelle elementari. Viaggiando alla velocità della luce, le particelle ci bombardano quotidianamente dal sole, dalla luna e dalle stelle. Per più di un secolo, scienziati e ingegneri li hanno sfruttati in forma aggregata per illuminare le nostre città e ora, i nostri schermi.

I ricercatori oggi possono controllare i fotoni con più finezza che mai. Al National Institute of Standards and Technology (NIST) nel Maryland, la fisica Paulina Kuo crea e manipola i fotoni individualmente., Illuminando cristalli progettati su misura con luce laser nel suo laboratorio, Kuo produce fotoni gemelli, che può ulteriormente separare in singoli fotoni. Indirizzandoli verso determinati materiali, che assorbono la particella per produrre fotoni di colori diversi, può effettivamente cambiare il colore di un fotone preservando le informazioni codificate in esso.

Ad esempio, ha progettato un cristallo per raddoppiare la frequenza di un fotone in ingresso, consentendo la conversione tra luce rossa e infrarossa. “Puoi fondere due fotoni insieme o dividere un fotone in due”, dice., “O anche processi di ordine superiore. È possibile fondere tre fotoni in uno, o dividere un fotone in tre.”A complemento di queste tecniche, utilizza rivelatori a singolo fotone all’avanguardia, fatti di fili superconduttori che diventano non superconduttori quando assorbono un singolo fotone. Questi tipi di rivelatori offrono conteggi altamente accurati, rilevando fotoni con un’efficienza fino al 99%.

Questa tecnologia a singolo fotone costituirà la spina dorsale di un futuro internet quantistico, una rete globale proposta di dispositivi per la trasmissione di dati codificati in singoli fotoni e altre particelle quantistiche., Questi dati sarebbero rappresentati nelle proprietà quantistiche di una particella, come la polarizzazione di un fotone. A differenza dei dati classici, che possono essere rappresentati solo come 0 o 1, le cosiddette informazioni quantistiche assumono valori che sono combinazioni ponderate di 0 e 1, il che consente nuovi algoritmi computazionali potenzialmente più potenti e nuovi protocolli di crittografia.

Sfide ingegneristiche abbondano per l’internet quantistica, come i problemi con la perdita di segnale, dice Kuo. Ma i ricercatori-ei loro governi – hanno posto piani ambiziosi., Nel 2016, l’Unione Europea ha avviato un’iniziativa di tecnologie quantistiche da 1 miliardo di euro. Questo agosto, gli Stati Uniti hanno istituito cinque centri di ricerca quantistica per accelerare lo sviluppo della tecnologia quantistica con un massimo di million 625 milioni promessi nei prossimi cinque anni. Il fisico Pan Jian-Wei, che ha guidato il lancio 2016 di un satellite di tecnologia quantistica cinese da Chinese 100 milioni e dei suoi progetti successivi, ha descritto l’obiettivo di costruire un internet quantistico globale entro il 2030.,

Molti esperti hanno definito l’attuale era della tecnologia a singolo fotone come la “seconda rivoluzione quantistica”, un cambio di paradigma in cui gli scienziati non solo comprendono i principi controintuitivi della meccanica quantistica-entanglement, sovrapposizione e dualità onda—particella-ma possono sfruttarli nelle tecnologie. Il fotone non è più solo un oggetto di studio, ma uno strumento.

Allora, cos’è un fotone? Kuo dà una risposta circolare. “Un fotone è il clic registrato da un rilevatore di risoluzione a singolo fotone”, afferma.

Parole più vaghe di quelle di Kuo sono state usate per descrivere il fotone., È un’onda e una particella di luce, o è una quantizzazione del campo elettromagnetico. Oppure, “Zitto e calcola”, una frase familiare a chiunque abbia perplesso sulla meccanica quantistica.

“Puoi metterti nei guai se dai al fotone troppa realtà”, afferma il fisico Alan Migdall del NIST.

“Le persone ne hanno discusso per oltre 100 anni”, afferma il fisico Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto. “Non penso che siamo arrivati a un consenso.”

I fisici hanno iniziato a discutere sul fotone non appena lo hanno scoperto., Gli stessi scienziati che hanno concepito le particelle erano scettici sul fatto che esistessero fondamentalmente in natura. Per spiegare altrimenti confondendo i dati sperimentali riguardanti la relazione tra la temperatura di un oggetto e la sua radiazione emessa, nel 1900 il fisico tedesco Max Planck propose che la radiazione arrivasse in quantità discrete, o quanti. Il concetto del fotone è nato. Ma Planck non comprese la profondità della sua idea. In seguito ha descritto la sua svolta come “un atto di disperazione” – un trucco infondato per far funzionare la matematica.,

Anche Albert Einstein resistette alle implicazioni della teoria dei fotoni che aiutò a sviluppare. Era particolarmente infastidito dall’entanglement, l’idea che due particelle possano avere destini intrecciati, anche quando sono separate l’una dall’altra. La teoria implicava, ad esempio, che se misuraste la polarizzazione di un fotone in una coppia impigliata, conoscereste istantaneamente anche la polarizzazione dell’altro, anche se le due particelle sono state separate alle estremità opposte del sistema solare., Entanglement ha suggerito che gli oggetti possono influenzare l “un l” altro da arbitrariamente lontano, noto come nonlocality, che Einstein deriso come ” azione spettrale a distanza.”Preferendo una realtà in cui gli oggetti devono essere in prossimità di esercitare influenza l’uno sull’altro, credeva che la teoria della meccanica quantistica fosse incompleta. “Certamente ha dato a Einstein un’indigestione”, dice Migdall.

Per decenni, le discussioni sul fotone sono state in gran parte relegate al regno degli esperimenti di pensiero, poiché era tecnologicamente impossibile testare queste idee., Recentemente, il dibattito si è riversato nella comunità fisica in modo più ampio, poiché fonti e rivelatori a singolo fotone diventano migliori e più ampiamente accessibili, secondo Steinberg. “Possiamo fare questi esperimenti invece di immaginarli, come il gatto di Schrödinger”, dice.

Ad esempio, i fisici hanno quasi confermato l’esistenza di entanglement. Decenni di esperimenti, noti come test della disuguaglianza di Bell, ora indicano fortemente che Einstein aveva torto-e che il nostro universo è non locale.,

Questi test sono basati su un quadro sperimentale ideato dal fisico britannico John Stewart Bell nel 1964. Nel lavoro teorico, Bell ha mostrato che se si ripetono misurazioni su particelle presumibilmente impigliate, le statistiche potrebbero rivelare se i fotoni si influenzano veramente l’un l’altro in modo non locale, o se un meccanismo sconosciuto—noto genericamente come “variabile nascosta locale”—crea l’illusione di un’azione a distanza. In pratica, i test hanno in gran parte coinvolto dividere coppie di fotoni entangled lungo due percorsi diversi per misurare le loro polarizzazioni a due diversi rivelatori.,
I fisici hanno eseguito test di Bell dal 1970, con tutti gli esperimenti pubblicati che indicano che i fotoni possono agire in modo spettrale da lontano, come spiega il fisico David Kaiser del Massachusetts Institute of Technology. Tuttavia, nonostante i risultati unanimi, questi primi esperimenti erano inconcludenti: carenze tecnologiche significava loro esperimenti sofferto di tre potenziali limitazioni di progettazione, o scappatoie.

La prima scappatoia, nota come scappatoia di località, deriva dal fatto che i due rivelatori di polarizzazione sono troppo vicini tra loro., Teoricamente, era possibile che un rivelatore potesse trasmettere un segnale all’altro rivelatore proprio prima che i fotoni impigliati venissero emessi, influenzando localmente il risultato della misurazione.

La seconda scappatoia, chiamata fair sampling loophole, è il risultato di rilevatori a singolo fotone di scarsa qualità. Gli esperti hanno sostenuto che i rivelatori potrebbero aver catturato un sottoinsieme parziale dei fotoni, distorcendo le statistiche. Il desiderio di chiudere questa scappatoia, dice Migdall, ha guidato lo sviluppo di migliori rivelatori a singolo fotone, gli stessi ora utilizzati di routine nelle tecnologie quantistiche.,

La terza scappatoia, la scappatoia della libertà di scelta, è correlata alle impostazioni del rilevatore di polarizzazione. Per ottenere statistiche veramente imparziali su un gran numero di misurazioni di polarizzazione, l’orientamento del rilevatore di polarizzazione deve essere azzerato in modo casuale per ogni misurazione. E ‘ difficile garantire la casualità, con i ricercatori faticosamente reimpostare i rivelatori a mano nei primi esperimenti.

Recenti esperimenti hanno chiuso tutte e tre le scappatoie, anche se non contemporaneamente in un test, secondo Kaiser., Nel 2015, un team guidato dal fisico Ronald Hanson presso la Delft University of Technology ha eseguito un test Bell che ha chiuso la fiera di campionamento e scappatoie località per la prima volta, anche se utilizzando elettroni entangled piuttosto che fotoni.

Publishing nel 2018, un team di scienziati presso l’Istituto di Scienze Fotoniche in Spagna addebitato 100.000 volontari per giocare un videogioco per generare numeri casuali, che gli scienziati hanno usato per impostare i loro rilevatori di test Bell per limitare la libertà di scelta scappatoia.,

Kaiser ha lavorato su un altro esperimento pubblicato nel 2018, soprannominato “Cosmic Bell Test”, che ha chiuso la scappatoia della località e ha strettamente limitato la scappatoia della libertà di scelta impostando il loro orientamento del rivelatore di polarizzazione usando un generatore di numeri casuali basato sulla frequenza della luce emessa da due stelle a 600 e 1.900 anni luce di distanza, rispettivamente.

I risultati supportano fortemente la nonlocalità dell’entanglement. “L’indigestione che Einstein ha avuto con la meccanica quantistica-se fosse in giro oggi, gli diresti che avrebbe solo a che fare con esso”, dice Migdall.,

La fisica Alexandra Landsman della Ohio State University descrive il fotone come “un quanto di energia”, che si allinea strettamente con le concezioni originali dei fisici della particella. In un articolo del 1905, Einstein descrisse la luce come pacchetti discreti di energia proporzionali alla sua frequenza per spiegare il cosiddetto effetto fotoelettrico. Gli scienziati avevano osservato che i materiali assorbono la luce per espellere elettroni, ma solo quando la frequenza della luce è inferiore a qualche valore di soglia., La spiegazione di Einstein, per la quale è stato insignito del premio Nobel nel 1921, ha contribuito a dare il via allo sviluppo della teoria quantistica.

La nuova tecnologia laser ha permesso ai ricercatori di rivisitare l’effetto fotoelettrico in modo più dettagliato. I laser ad attosecondi, inventati nel 2001, forniscono impulsi di luce lunghi meno di un quadrilionesimo di secondo che consentono ai fisici di osservare l’azione su scala quantistica come una fotocamera con velocità dell’otturatore record., In particolare, i fisici stanno usando laser ultraveloci per cronometrare l’effetto fotoelettrico: una volta che un fotone colpisce un atomo o una molecola, quanto tempo impiega l’elettrone per essere espulso? “Le persone in passato presumevano che questo processo avvenisse istantaneamente”, afferma Landsman. “Non c’era modo di affrontare questa domanda sperimentalmente.”

Nel 2010, un team guidato dal fisico Ferenc Krausz, allora all’Università di Tecnologia di Vienna, ha eseguito un esperimento che mostra che l’espulsione di elettroni da un atomo richiede tempo., Mentre non misuravano il tempo assoluto, potevano discernere che ci sono voluti circa 20 attosecondi in più per un elettrone per partire dall’orbitale 2p rispetto all’orbitale 2s di un atomo di neon. Successivi esperimenti di altri gruppi hanno temporizzato l’emissione di elettroni in molecole come acqua e protossido di azoto.

Landsman, un teorico, sta lavorando per capire perché gli elettroni lasciano certe molecole più velocemente di altre. Alcune molecole, ad esempio, limitano l’elettrone in uno spazio tale che l’elettrone forma un’onda stazionaria., Questa condizione, nota come risonanza di forma, intrappola temporaneamente l’elettrone, rallentando la sua fuga. In definitiva, Landsman vuole chiarire tutti i fattori che ritardano gli atomi e le molecole dal rilasciare l’elettrone a zero su quanto tempo il fotone e l’elettrone si incontrano. “Questi esperimenti ci danno maggiori informazioni su come un fotone interagisce con un elettrone”, dice.

Zlatko Minev, tuttavia, non pensa che un fotone sia un quanto di energia. Minev, un fisico presso IBM, ricerche come costruire un computer quantistico., In questo nuovo contesto tecnologico, dice, i fotoni sembrano manifestarsi in modo diverso.

Minev esegue esperimenti su circuiti fatti di fili superconduttori che possono essere utilizzati come qubit, che sono elementi costitutivi dei computer quantistici. Questi circuiti sono progettati per assorbire un singolo fotone di un’energia specificata, dove l’assorbimento di un fotone può rappresentare lo stato 1 in un computer quantistico. Una volta che il qubit assorbe un fotone, la sua risposta cambia, in modo che non assorbirà più i fotoni di quell’energia.,

L’idea convenzionale di un fotone come “quantum of energy” non si adatta a questi circuiti, dice Minev, che si riferisce ai sistemi come oscillatori quantistici non lineari. “Potresti chiedere, cosa significa avere due fotoni nel mio oscillatore? Sono due unità di energia?”dice. “In questo caso, non lo è, perché ogni fotone in più nell’oscillatore ha in realtà una quantità diversa di energia. L’energia non definisce il fotone in questo caso.”

Quindi come descrive il fotone? “Non sono sicuro di poterti dare una risposta di una frase”, dice Minev. “Attualmente sto rivalutando la mia comprensione.,”Attualmente, pensa che il fotone sia un “quanto di azione”, dove “azione” si riferisce a una quantità astratta che descrive il comportamento consentito del suo sistema.

Mentre i fisici rivalutano le basi, questi nuovi esperimenti illuminano la connessione tra scienza fondamentale e applicazioni. La tecnologia Internet quantistica di Kuo condivide l’ascendenza con l’hardware utilizzato nei test Bell di entanglement. Gli studi di Minev sul suo oscillatore non lineare lo aiutano a sviluppare metodi per correggere gli errori nei computer quantistici., La ricerca di Landsman sull’effetto fotoelettrico nelle molecole può rivelare indizi sulle sue proprietà elettroniche, che potrebbero alla fine fornire agli scienziati una nuova strada per la progettazione di materiali con le specifiche desiderate. Migdall dice che i ricercatori utilizzano test Bell per verificare la casualità in nuovi modelli di generatori di numeri casuali che sfruttano particelle impigliate.

Tuttavia, la vera natura del fotone sfugge ai fisici. “Tutti i cinquant’anni di rimuginazione cosciente non mi hanno avvicinato alla risposta alla domanda: quali sono i quanti di luce?”Einstein scrisse in una lettera del 1951., “Certo oggi ogni mascalzone pensa di conoscere la risposta, ma si sta illudendo.”

Potrebbe essersi sbagliato sull’entanglement, ma altri sette decenni di rimuginazione collettiva più tardi, il sentimento vale ancora.

Sophia Chen contribuisce a WIRED, Scienza, e la fisica Ragazza. Lei è una scrittrice freelance con sede a Columbus, Ohio.

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