PASSI AVANTI PER L’INFORMATICA QUANTISTICA

Il gatto di Schrödinger raddoppia

L'ineffabile felino del fisico austriaco è un paradosso utilizzato per spiegare l’esistenza simultanea di due stati quantistici utilizzando oggetti della vita quotidiana. Un team di ricercatori di Yale ha spinto questo paradosso oltre, unendolo al concetto di entanglement quantistico. «Entro i prossimi dieci anni i computer quantistici saranno realtà», il commento a Media INAF di Luigi Frunzio

I ricercatori di Yale hanno dato al gatto di Schrödinger una scatola in più in cui giocare. Crediti: Michael S. Helfenbein/Yale University

I ricercatori di Yale hanno dato al gatto di Schrödinger una scatola in più nella quale giocare. Crediti: Michael S. Helfenbein/Yale University

Un team di fisici di Yale ha deciso di offrire al gatto di Schrödinger una seconda scatola in cui giocare, e i risultati che hanno ottenuto potranno farci compiere enormi passi avanti nel campo dell’informatica quantistica.

Il gatto di Schrödinger è un famoso paradosso utilizzato per spiegare il concetto di coesistenza di stati quantistici utilizzando oggetti che si incontrano nella vita di tutti i giorni. L’idea di base è che un gatto venga posto all’interno di una scatola sigillata, con del materiale radioattivo e un veleno che si sprigiona solo se un atomo della sostanza radioattiva decade. La fisica quantistica ci insegna che non siamo in grado di affermare con certezza se il gatto sia vivo o morto fino a quando qualcuno apre la scatola, poiché così facendo uno dei due stati quantici si manifesta (la sostanza radioattiva decade oppure no).

Questo esperimento ipotetico, immaginato per la prima volta da uno dei padri fondatori della meccanica quantistica all’inizio del secolo scorso, ha trovato nel tempo numerose analogie nei laboratori. Gli scienziati oggi sono in grado di maneggiare pacchetti d’onda di luce composti da centinaia di particelle, che si trovano contemporaneamente in due stati differenti. Ognuno dei due stati corrisponde a una forma ordinaria di luce presente in natura.

Il team di scienziati di Yale ha deciso di creare un esperimento un po’ più esotico rispetto a quello classico del gatto di Schrödinger. Nel nuovo esperimento il gatto può essere vivo o morto, ma in due scatole in una volta sola. Questo nuovo assetto è l’unione tra l’esperimento di Schrödinger e un altro concetto chiave della fisica quantistica: l’entanglement.

L’entanglement permette a un’osservazione locale di influenzare istantaneamente lo stato di una particella che si trova lontana da noi. Einstein era molto critico rispetto a questo effetto, e ne parlò chiamandolo “una spaventosa azione a distanza”, che in questo caso permette a un gatto di trovarsi in due differenti modalità spaziali allo stesso momento.

Il dispositivo costruito dal team è costituito da due cavità alle microonde, ovvero una particolare struttura metallica che racchiude campi elettromagnetici nella banda delle microonde, una porta di monitoraggio, il tutto collegato da un atomo artificiale superconduttore. Il “gatto” è fatto di luce alle microonde confinata in entrambe le cavità.

«Questo gatto è intelligente. Non rimane in una scatola, perché lo stato quantistico è condiviso tra le due cavità e non può essere descritto separatamente», dice Chen Wang, ricercatore postdoc a Yale e primo autore dello studio apparso sulla rivista Science. «Possiamo anche considerare un punto di vista alternativo, dove abbiamo due piccoli gatti di Schrödinger, uno rinchiuso in ciascuna scatola».

«È importante evidenziare che questo studio suggerisce la possibilità di usare cavità risonanti con tempi di decoerenza dell’ordine dei millisecondi come qubits», spiega ai microfoni di Media INAF Luigi Frunzio, oggi a Yale, già ricercatore presso l’Osservatorio di Capodimonte dell’INAF. «L’esplosione di risultati innovativi nel campo della computazione quantistica basata su circuiti superconduttivi indica la concreta realizzabilità di computer quantistici. Non si parla più di un futuro lontano o di decenni, come succedeva alcuni anni fa, ma è oramai opinione diffusa che nell’arco dei prossimi dieci anni i primi computer quantistici saranno disponibili per coloro i quali vogliano dedicarsi ad implementare algoritmi quantistici già esistenti o ancora meglio ad inventarne di nuovi».

La ricerca ha infatti numerose applicazioni nel campo dell’informatica quantistica. Un computer quantistico sarebbe in grado di risolvere problemi molto più velocemente rispetto ai computer classici, se sfruttasse la sovrapposizione degli stati e l’entanglement. Uno dei problemi principali nello sviluppo di un computer quantistico affidabile è come correggere gli errori senza disturbare le informazioni.

«Abbiamo scoperto che questi stati “felini” sono un approccio molto efficace per la memorizzazione delle informazioni quantistiche ridondanti, poiché permette di implementare la correzione degli errori. La generazione di un gatto in due scatole è il primo passo verso un’operazione logica tra due bit quantistici in cui è possibile attuare una correzione», spiega Robert Schoelkopf, professore di fisica a Yale e co-autore dello studio.

Schoelkopf e i suoi collaboratori Michel Devoret e Steve Girvin sono stati i primi a sviluppare la circuit quantum elettrodynamics (cQED, elettrodinamica quantistica dei circuiti), che rappresenta oggi una delle basi della ricerca in informatica quantistica. La ricerca descritta in questo lavoro si basa su oltre un decennio di sviluppo nel campo della cQED. Il team ha progettato una serie di nuovi elementi, tra cui le cavità cilindriche con tempi di registrazione dell’informazione quantistica dell’ordine del millisecondo, e un sistema di misura che controlla numerosi aspetti dello stato quantistico con elevata precisione e in maniera non distruttiva. «Siamo riusciti a mettere insieme un bel po’ di tecnologie recenti, con questo studio», conclude Wang.

Per saperne di più:

  • Leggi su Science l’articolo “A Schrödinger Cat Living in Two Boxes” di Chen Wang, Yvonne Y. Gao, Philip Reinhold, R. W. Heeres, Nissim Ofek, Kevin Chou, Christopher Axline, Matthew Reagor, Jacob Blumoff, K. M. Sliwa, L. Frunzio, S. M. Girvin, Liang Jiang, M. Mirrahimi, M. H. Devoret e R. J. Schoelkopf