Gatto di Schrödinger: i fisici hanno capito come salvarlo

Il gatto di Schrödinger, un esperimento mentale immaginato dal fisico austriaco Erwin Schrödinger nel 1935, è un paradosso che applica il concetto di sovrapposizione in fisica quantistica agli oggetti incontrati nella vita di tutti i giorni. L’idea è che un gatto sia posto in una scatola sigillata con una fonte radioattiva e una fiala di veleno che verrà attivato se un atomo della sostanza radioattiva decade.

La fisica quantistica suggerisce che, non conoscendo lo stato del gatto dentro la scatola, esso sia contemporaneamente vivo e morto, finché qualcuno non apre la scatola e, così facendo, cambia lo stato quantistico.

Ora un team di fisici della Yale University e dell’Università di Auckland ritiene di avere capito come catturare e salvare il famoso gatto di Schrödinger anticipando i suoi salti e agendo in tempo reale per salvarlo dalla proverbiale rovina. La scoperta consentirebbe ai fisici di creare un sistema di allarme rapido per imminenti salti di stato degli atomi artificiali contenenti informazioni quantistiche.

Gatto di Schrödinger, anticipare i salti di stato

Per un oggetto minuscolo come un elettrone, una molecola o un atomo artificiale contenente informazioni quantistiche (un qubit) un salto quantistico è la transizione improvvisa da uno dei suoi stati energetici discreti a un altro.

Nello sviluppo di computer quantistici, i ricercatori devono fare i conti con i salti di stato dei qubit, che sono le manifestazioni degli errori nei calcoli. I salti quantistici furono teorizzati dal fisico danese Niels Bohr un secolo fa, ma non osservati negli atomi fino agli anni ’80.

I nuovi esperimenti osservano per la prima volta il funzionamento reale di un salto quantistico ed i risultati rivelano una scoperta sorprendente che contraddice la visione consolidata di Bohr: i salti di stato non sono né improvvisi né casuali come si pensava in precedenza.

“Questi salti si verificano ogni volta che misuriamo un qubit. I salti quantistici sono noti per essere imprevedibili nel lungo periodo“, ha affermato il professor Michel Devoret, della Yale University e dello Yale Quantum Institute. “Nonostante ciò, volevamo sapere se sarebbe stato possibile ottenere una sorta di segnale che avvisi che sta per verificarsi un salto quantistico“, ha aggiunto il Dr. Zlatko Minev della Yale University.

Gli scienziati hanno utilizzato un approccio speciale per monitorare indirettamente un atomo artificiale superconduttore, utilizzando tre generatori a microonde che irradiavano l’atomo racchiuso in una cavità 3D in alluminio. Il metodo di monitoraggio doppiamente indiretto, sviluppato dal team per i circuiti superconduttori, consente ai ricercatori di osservare l’atomo con un’efficienza senza precedenti.

Le radiazioni a microonde eccitano l’atomo artificiale mentre viene osservato simultaneamente, ottenendo come risultato il verificarsi di salti quantistici.

Il piccolo segnale quantistico di questi salti può essere amplificato senza perdita a temperatura ambiente. Qui, il segnale può essere monitorato in tempo reale.

Ciò ha permesso ai fisici di vedere un’improvvisa assenza di fotoni di rilevamento (i fotoni emessi da uno stato ancillare dell’atomo eccitato dalle microonde); questa piccola assenza è l’avviso anticipato di un salto quantico. “L’effetto mostrato da questo esperimento è l’aumento della coerenza durante il salto, nonostante la sua osservazione“, ha detto il professor Devoret. “Si può sfruttare il preavviso non solo per catturare il salto, ma anche invertirlo“, ha aggiunto il Dr. Minev.

Questo è un punto cruciale. Mentre i salti quantistici appaiono discreti e casuali a lungo termine, invertire un salto quantistico significa che l’evoluzione dello stato quantistico possiede, in parte, un carattere deterministico e non casuale; il salto avviene sempre nello stesso modo prevedibile dal suo punto di partenza casuale.

“I salti quantici di un atomo sono in qualche modo analoghi all’eruzione di un vulcano“, ha detto il dottor Minev. “Sono completamente imprevedibili a lungo termine. Ciononostante, con il monitoraggio corretto possiamo con certezza rilevare un preavviso di un disastro imminente e agire su di esso prima che si verifichi.”

Insomma, ora è possibile sapere quando la fiala di veleno si sta per rompere permettendoci di anticiparla ed estrarre in tempo il gatto dalla scatola.

Fonte: Nature – Z.K. Minev et al. To catch and reverse a quantum jump mid-flight”. Nature, published online June 3, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1287-z