Sapere in anticipo se il gatto di Schrödinger sta per morire è possibile? È quello che ha provato a fare (anche se ovviamente con gli atomi e non su un vero gatto) un gruppo di fisici, coordinati dalla Yale University. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile anticipare e prevedere un salto quantico da uno stato fisico a un altro in un particolare sistema fisico. Lo studio è in linea con attuali teorie quantistiche (la quantum trajectory theory), introdotte negli anni ’90. Idealmente, la nuova ricerca consentirebbe di prevedere se il gatto di Schrödinger sta per morire e salvarlo: questo particolare esperimento, attraverso il sistema specifico realizzato dagli autori, consentirebbe di scardinare, almeno a livello teorico, uno dei pilastri classici della meccanica quantistica, su cui si basa il paradosso del “gatto di Schrödinger”. I risultati sono pubblicati su Nature.
La quantistica, un mondo inedito
La quantistica è un inedito mondo che comprende il regno sub-microscopico, in cui alcuni elementi di dimensioni piccolissime (particelle subatomiche come gli elettroni) possono trovarsi contemporaneamente in più di un luogo diverso. Questo mondo è inedito perché provando a applicare le leggi della quantistica al mondo macroscopico si ottengono situazioni irreali e paradossali che sono inesistenti, dato che un oggetto non può trovarsi contemporaneamente in due luoghi o due stati (come la vita e la morte) diversi.
Il gatto di Schrödinger
Un esempio è fornito il paradosso, molto noto ai fisici, del gatto di Schrödinger (dal nome del fisico che ha ideato l’esperimento mentale, appunto Erwin Schrödinger, nel 1935). Alla base del paradosso c’è un esperimento puramente ideale, che serve per spiegare il principio di sovrapposizione e il collasso degli stati, due elementi fondamentali della meccanica quantistica. Nell’esperimento viene inserito un gatto in una scatola d’acciaio contente un marchingegno mortale, che può avvelenare l’animale oppure risparmiarlo. Secondo le leggi della quantistica, fino a quando un osservatore esterno non compie una misura, ovvero fino a quando non si apre la scatola, il gatto si trova contemporaneamente in due stati, cioè è sia vivo sia morto. In questo paradosso il gatto di Schrödinger si trova in una sovrapposizione di due stati, vita e morte, che rappresentano una somma matematica di due condizioni entrambe possibili con la stessa probabilità, fino a quando non si apre la scatola.
Anticipare il salto quantico
I ricercatori si sono chiesti se c’è qualche possibilità di salvare il gatto e prevenire il caso in cui aprendo la scatola lo si trovi morto. La risposta è sì, almeno su un sistema, realizzato dagli autori, basato su una struttura superconduttrice, basata su un particolare insieme di qubit (le unità dell’informazione quantistica) – lo studio parla di “transmon qubit” o “charge qubit”. Gli scienziati, dunque, sono riusciti a anticipare il salto quantico, ovvero il passaggio del sistema da uno stato ad un altro ad energia più elevata. Questo studio vale e potrebbe trovare applicazione nel mondo dei computer quantistici (e non nella fisica classica) in cui i qubit saltano in continuazione e i ricercatori devono riuscire a gestire gli errori di calcolo, che sono appunto rappresentati da alcuni di questi salti.
“Questi salti si verificano ogni volta che misuriamo un qubit”, ha spiegato Michel Devoret, docente di fisica alla Yale University. “I salti quantici sono noti per essere imprevedibili nel lungo periodo”. “Nonostante ciò – ha aggiunto Zlatko Minev, primo autore del paper – volevamo capire se fosse possibile ottenere in anticipo un segnale di avvertimento che questo salto stia per accadere in maniera imminente”.
Osservare il gatto senza aprire la scatola
Per riuscire in questo obiettivo gli autori hanno realizzato un sistema composto da un insieme di qubit in un sistema superconduttore, paragonabile (e assimilato dagli autori) a quello che avviene in un atomo con particolari proprietà fisiche. Il tutto è monitorato indirettamente e gli autori riescono a osservare il sistema mentre avviene il salto quantico – un po’ come se fosse possibile vedere cosa accade dentro la scatola del gatto di Schrödinger senza aprirla. Il segnale associato a un salto quantico viene poi amplificato dai ricercatori e consente di ottenere un segnale di avvertimento di un imminente salto quantico, spiegano gli autori.
I salti quantici del gatto di Schrödinger
Ma c’è di più. In questo esperimento il salto quantico non è né repentino né casuale, un elemento che contrasta con le teorie di Niels Bohr, che nel 1913 ha introdotto il salto quantico come un salto fra due livelli di energia discreti, ovvero separati da un’interruzione, di un atomo, e osservato per la prima volta negli atomi soltanto negli anni ’80. Secondo le sue teorie, un salto quantico è un evento casuale e dunque del tutto imprevedibile.
Il risultato di oggi, invece, dimostrerebbe che questi salti non sono del tutto casuali. “I risultati sperimentali dimostrano che l’evoluzione di ciascun salto finito è continua, coerente e deterministica”, scrivono gli autori nel paper, specificando che si tratta di un punto centrale. Mentre i salti quantici appaiono repentini e casuali a lungo termine, lo studio dimostra che dallo studio dell’evoluzione dello stato della materia è possibile in qualche modo prevederli dal loro punto di partenza casuale. “I salti quantici di un atomo [in questo caso è un sistema artificiale e non un atomo vero ndr] possono essere paragonati all’eruzione di un vulcano“, ha spiegato Minev. “Sono assolutamente imprevedibili a lungo termine, tuttavia, con il monitoraggio corretto, possiamo con certezza rilevare un avvertimento anticipato di un disastro imminente e agire su di esso prima che si verifichi”.
Via Wired.it
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Non si capisce cosa significhi la espressione “atomo artificiale superconduttore”: la proprietà di superconduttività si presenta per un insieme di tanti, tanti, atomi (diciamo, come ordine di grandezza, per un numero di Avogadro di atomi). Essa è una proprietà che si manifesta in un aggregato, di atomi: è, cioè, propriamente una proprietà “statistica” della materia. Non ha, quindi, senso alcuno riferirla ad un singolo atomo! È come la temperatura, ad esempio. Statistiche sono quelle proprietà che si manifestano, propriamente, in un collettivo, di unità.
“atomo artificiale”? “Cavità in 3D”? Ma cosa significa, signora Rita, Leo che è laureata in Fisica, vorrebbe cortesemente illustrare questi due concetti a me, che laureato in fisica non sono, ma neppure stupido? La ringrazio molto.
Buongiorno, ringrazio i lettori della segnalazione, che è stimolo e fonte di ulteriore approfondimento.
Nell’articolo parlavo di un “atomo artificiale superconduttore, un sistema complesso realizzato in laboratorio dagli autori” – questo “atomo” è citato anche nel testo del paper (“superconducting artificial atom”).
Tuttavia, come suggerito, ho modificato l’articolo e ho spiegato che non si tratta di un atomo, come argomentato dai lettori, ma di una struttura superconduttrice costituita da un particolare insieme di qubit (il paper per parla di “transmon qubit” o “charge qubit”).
Saluti,
Viola Rita
Voglio aggiungere: mi riesce molto più facile capire come lo stato di un elettrone venga determinato dalla sua osservazione. Ma, mi chiedo, come studente di liceo classico, se l’osservatore fosse un topo o un pappagallo, la determinazione quantistica differirebbe? :-))