Un gatto di Schrödinger a 20 stati quantistici per i computer del futuro

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Il gatto di Schrödinger si rifà il trucco. E passa dai due stati della formulazione tradizionale (vivo e morto) a ben venti diversi stati quantistici sovrapposti tra loro. Tutto grazie agli sforzi di un’équipe internazionale di scienziati – di cui fa parte anche un team padovano coordinato dall’italiano Simone Montangero – che ha appena concluso un esperimento che mostra come sia possibile preparare e caratterizzare un sistema quantistico “altamente intrecciato”. I risultati della ricerca, spiegano gli autori, rappresentano un decisivo passo in avanti verso la realizzazione di computer quantistici a molti qubit (l’entità minima di informazione elaborabile da un calcolatore basato sulle leggi della meccanica quantistica), processori di nuova generazione enormemente più potenti e veloci rispetto a quelli tradizionali. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science.

Facciamo un passo indietro. Nel 1935, il fisico Erwin Schrödinger, per spiegare nel modo più semplice possibile le bizzarre e controintuitive leggi che regolano il comportamento delle particelle quantistiche, ideò un esperimento mentale in cui un gatto è chiuso in una scatola insieme a un campione di materiale radioattivo, un rilevatore di radioattività e una provetta contenente del veleno. Se il materiale radioattivo decade, il rilevatore fa scattare un allarme che rompe la provetta, sprigionando il veleno e uccidendo il gatto. Qui cominciano le bizzarrie: secondo la leggi della quantistica, finché l’osservatore non compie una misura – ossia finché non apre la scatola – il gatto si trova contemporaneamente in due stati diversi, ossia è contemporaneamente vivo e morto. Nel momento in cui si compie la misura, il sistema collassa su uno dei due stati, ossia il gatto muore o sopravvive istantaneamente.

Sin dall’inizio degli anni ottanta, diversi ricercatori in tutto il mondo sono riusciti a riprodurre sperimentalmente la sovrapposizione di stati postulata da Schrödinger. Tuttavia, fino a oggi si trattava di sistemi estremamente fragili: “Tutti gli stati costruiti in questo modo”, spiega Tommaso Calarco del Forschungszentrum Jülich, uno degli autori del lavoro, “sono molto sensibili: bastano piccole interazioni termiche con l’ambiente circostante per far collassare l’intero sistema. Per questa ragione, finora era molto difficile realizzare sistemi a molti qubit basati su stati sovrapposti”.

Ma oggi le cose potrebbero essere cambiate: “Gli esperimenti condotti finora avevano portato alla creazione di uno stato di 14 qubit”, spiegano dall’Università di Padova, “ma il lavoro appena pubblicato dimostra come sia possibile preparare e caratterizzare uno stato altamente intrecciato con ben 20 qubit in una piattaforma di atomi intrappolati tramite dei fasci laser detti optical tweezers”. Si tratta del più grande sistema di questo tipo mai realizzato sperimentalmente, un’impresa a cui gli autori dello studio lavoravano da oltre un decennio: “Quest’esperimento”, ha commentato Simone Montangero, “è stato possibile grazie anche a degli algoritmi di controllo che abbiamo introdotto circa una decina di anni fa, che stanno entrando in tutti i laboratori di scienze quantistiche e che probabilmente giocheranno un ruolo fondamentale nello sviluppo delle future tecnologie quantistiche. Non solo computer, ma anche comunicazioni e sensoristica basati sulle affascinanti proprietà quantistiche della materia”.

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Riferimenti: Science doi: 10.1126/science.aax9743