La nuova magia della meccanica quantistica

Con un complesso esperimento, che apre orizzonti tutti da esplorare, fisici quantistici hanno messo in risonanza i fotoni in due differenti luoghi: una rara occasione di coerenza quantistica su scala macroscopica.

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Il nuovo Gatto di Schrödinger ha guadagnato una scatola.|Yvonne Gao, Yale University

Un nuovo esperimento collegato con il famoso gatto di Schrödinger dimostra che un "gatto quantistico" può essere simultaneamente vivo e morto e (e qui sta una parte di novità) anche in due luoghi contemporaneamente.

 

Il risultato, ottenuto forzando un grande numero di fotoni ad assumere stati identici (ed essere entangled, correlati a distanza o in risonanza), dimostra la capacità di manipolare (e influire su) stati quantici complessi, possibilità che apre orizzonti tutti da esplorare e che può avere anche ricadute pratiche, per esempio nell'ambito della elaborazione e della trasmissione di dati (informatica e comunicazioni).

 

La vera novità è comunque che questa è una delle rare occasioni in cui gli scienziati realizzano una coerenza quantistica su scala macroscopica. Il breve video qui sotto prende spunto dal paradosso del gatto di Schrödinger per illustrare l'esperimento:

 

Lo stato del "nuovo" gatto può essere osservato solo aprendo simultaneamente entrambe le scatole. | Yvonne Gao, Yale University

 

Quello del gatto di Schrödinger è un famoso esperimento mentale che esplora il modo in cui un sistema quantistico, per esempio un atomo o un fotone, possa esistere come combinazione di stati multipli - un fenomeno noto come quantum superposition, per il quale ogni stato quantico può essere rappresentato come somma di due o più differenti stati distinti e viceversa (vedi il video più sotto).

 

La storia è nota: un gatto, intrappolato in una scatola, può essere e non essere vivo. È impossibile conoscere lo stato del gatto, a meno di aprire la scatola, naturalmente. Perciò il gatto è contemporaneamente vivo e morto (finché nessuno guarda). Erwin Schrödinger (1887-1961), scettico sull'interpretazione ortodossa della meccanica quantistica, usò questo paradosso proprio per sottolineare che una teoria che predice un simile nonsense doveva avere trascurato qualcosa. Oggi l'opinione condivisa è però che quella interpretazione non abbia trascurato nulla, e che la teoria quantistica sia proprio così bizzarra come sembra.

 

Una animazione sulla superposizione quantica (quantum superposition). Fonti: Wikipedia (inglese) e Quantum Made Simple. | J. Bobroff

 

In fisica quantistica le particelle subatomiche possono effettivamente essere in uno stato e in un altro (superposizione): a differenza del gatto, però, le particelle possono, in teoria, essere correlate tra loro attraverso lo spazio: quello che succede a una, influenza istantaneamente l'altra. Ed è proprio questo il risultato ottenuto dai ricercatori della Yale University (Usa) e dell'INRIA (Parigi) coordinati da Chen Wang (Yale), che hanno indirizzato onde di luce in due luoghi separati, con un metodo tale per cui, in ogni momento, ci fosse solamente una lunghezza d'onda in entrambi - rendendo in questo modo simili le loro proprietà.

 

I due luoghi sono stati messi in connessione da una supercorrente (corrente che fluisce senza differenza di potenziale): i ricercatori hanno poi forzato i fotoni in uno dei due spazi ad assumere uno spin (grandezza che, associata a una particella, concorre a definirne lo stato quantico), e sono in questo modo stati in grado di attribuire a quei fotoni due stati (come il famoso gatto, morto e vivo), e hanno contemporaneamente osservato i fotoni nel secondo spazio, che si trovavano in uno stato analogo (e in questo modo il gatto è in una scatola e nell'altra).

27 Maggio 2016 | Raymond Zreick