RISOLTO UN PARADOSSO DELLA FISICA QUANTISTICA

Oltre il gatto di Schrödinger

Un gruppo di fisici della Fondazione FOM dell’University of Technology di Delft ha manipolato una particella quantistica semplicemente osservandola in un modo nuovo. L’esperimento offre una via d’uscita al paradosso del gatto di Schrödinger, secondo cui non è possibile determinare con esattezza gli stati quantici di un oggetto. I risultati su Nature Physics.

Misura dello spin di un elettrone. Crediti: FOM.

Misura dello spin di un elettrone. Crediti: FOM.

Essere contemporaneamente nello stesso posto: non è fantascienza, è fisica. Una delle caratteristiche principali della meccanica quantistica è proprio l’indeterminazione delle proprietà dei “mattoni” che compongono l’universo microscopico: elettroni, protoni quark, e via così. Un’incertezza che interessa anche la proprietà per eccellenza, la posizione; ragion per cui si dice che una particella può occupare nello stesso momento stadi diversi.

È un rompicapo con cui si sono scontrati per anni generazioni di fisici, e che ancora oggi non è stato completamente risolto. Ma un gruppo di scienziati della Fondazione FOM dell’University of Technology di Delft potrebbe aver trovato un punto di vista nuovo con cui affrontare il problema.

E la vista è proprio la chiave della loro scoperta: uno sguardo diverso alla questione dell’indeterminazione della fisica quantistica, che ha permesso ai ricercatori di “sbirciare” attraverso gli stati quantici, fino a determinare con precisione alcune proprietà esatte delle particelle.

Come? Per rispondere partiamo dal paradosso quantistico per eccellenza, quello elaborato nel 1935 dal fisico e matematico austriaco Erwin Schrödinger. Si tratta della formulazione più famosa di un fenomeno noto generalmente col nome di entanglement, che è la massima espressione della dispersione delle proprietà in fisica quantistica. Si dice che due elettroni sono in uno stato entangled (letteralmente, “intrecciato”), quando i loro stati sono “mescolati” fino al punto che i due elettroni perdono la loro individualità: diventano indiscernibili. È il risvolto della medaglia del caso di un elettrone che si trova nello stesso momento in due stati diversi: qui due elettroni occupano lo stesso stato, e quindi non sono più distinguibili l’uno dall’altro.

Il gatto di Schrödinger. Crediti: FOM.

Il gatto di Schrödinger. Crediti: FOM.

Schrödinger definisce l’entanglement “Il tratto più caratteristico della meccanica quantistica, che segna la sua radicale divergenza dalla concezione classica.” E per spiegarlo, elabora un esperimento mentale che diventerà presto noto col nome di “gatto di Schrödinger”. In pratica il fisico immagina che un gatto sia rinchiuso per un’ora in una scatola contenente un sistema atomico instabile, collegato a un meccanismo in grado di liberare un potente veleno. Se in quell’intervallo di tempo il sistema rimane isolato e nessun atomo subisce un processo di decadimento che liberi il veleno, allora il gatto sarà ancora vivo; se invece almeno un atomo subisce questo processo, allora allo scadere del tempo il gatto sarà morto. Ma c’è un problema: solo l’osservazione potrà dirci quale delle due possibilità si è realizzata; nel fattempo, lo stato del sistema risulterà indeterminato. Infatti la funzione d’onda del sistema completo risente della sovrapposizione cui è soggetto il sistema atomico microscopico, che però si “trasferisce” anche a livello macroscopico. In altri termini: poiché non è possibile sapere in anticipo l’esatto istante in cui avverrà il decadimento spontaneo del sistema atomico, allora esiste soltanto la probabilità che entro un certo tempo ciò si verifichi; ma fino a quel momento l’intero sistema si troverà in una sovrapposizione di stati. Questo significa che lo stato del gatto risulta entangled con quello del sistema atomico: il che ci porta a una sovrapposizione piuttosto scioccante, quella delle proprietà vivo e morto.

Ovviamente, nella realtà siamo piuttosto abituati a pensare che se un gatto è vivo non può essere contemporaneamente anche morto, il che dovrebbe valere più o meno per tutti gli esseri viventi che conosciamo. Quello che Schrödinger vuole dire però è che c’è la possibilità teorica di trasferire a un oggetto macroscopico l’indeterminatezza che caratterizza gli oggetti microscopici. Questo porta a una sorta di “contagio”, come dice lo stesso Schrödinger, che porta il mondo classico a essere influenzato dalla nebulosità del mondo quantistico.

Come fermare questa epidemia di indeterminazione? Per rispondere, gli scienziati del FOM sono ripartiti proprio dall’esperimento di Schrödinger. Usando però al posto del gatto un nucleo di diamante, le cui particelle (come tutte le particelle quantistiche) hanno una proprietà intrinseca chiamata spin, che concorre a definirne lo stato quantico. Lo spin verso l’alto corrisponderebbe al gatto di Schrödinger vivo, lo spin verso il basso al gatto morto. Il gruppo del FOM ha dimostrato che si può misurare l’orientamento di un singolo spin, il che significherebbe la completa apertura della scatola di Schrödinger.

Ma è possibile sbirciarci dentro prima dello scadere del tempo? Sì, basta spostare l’attenzione su un altro oggetto. Ronald Hanson, leader dello studio pubblicato su Nature Physics,  ha provato a non misurare direttamente le proprietà del nucleo di diamante, ma a concentrarsi sullo stato di un elettrone vicino. A quel punto ha modificato la forza del legame tra il nucleo e l’elettrone, aggiustandola progressivamente. Un legame più debole rivelava meno informazioni, ma subiva anche meno l’influenza indiretta tra i due elementi. Meno “effetti collaterali”, per così dire.

Ora, dalla sola misura dello spin del nucleo deriva necessariamente la sovrapposizione di due stati; ma la misura dello spin dell’elettrone, per quanto debole, va a compensare l’informazione mancante. Il gioco è fatto, ecco determinato anche lo spin del nucleo.

Applicando lo stesso procedimento diverse volte, i fisici sono riusciti a “spingere” il nucleo verso una stato quantico desiderato; il tutto semplicemente osservandolo attraverso la maschera dell’elettrone. E così anche il gatto di Schrödinger può finalmente dirsi salvo dal limbo dell’indeterminazione: semplicemente, basta inserire un diversivo nella scatola.

Per saperne di più:

Leggi su Nature Physics l’articolo “Manipulating a qubit through the backaction of sequential partial measurements and real-time feedback” di M. S. Blok, C. Bonato, M. L. Markham, D. J. Twitchen, V. V. Dobrovitski e R. Hanson.

Leggi su Nature l’articolo “High-fidelity projective read-out of a solid-state spin quantum register”, di L. Robledo, L. Childress, H. Bernien, B. Hensen, P. F. A. Alkemade e R. Hanson.