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Alcuni fisici dell’Università di Yale hanno immaginato di poter salvare il famoso felino, simbolo di imprevedibilità, anticipando in tempo reale i salti quantici
Nel 1935 il fisico Erwin Schrödinger ideò un esperimento mentale per illustrare il concetto di superposizione (cioè l’abilità di due stati opposti di esistere simultaneamente) e di imprevedibilità nella fisica dei quanti. Tale esperimento è passato alla storia come “il gatto di Schrödinger”, diventato ormai una pietra angolare della fisica quantistica.
Il paradosso prevede che un gatto sia sigillato all’interno di una scatola insieme ad una fonte radioattiva e ad una dose di veleno che si attiva nel caso in cui un atomo della sostanza radioattiva decade. La teoria della superposizione dei quanti suggerisce che, finché qualcuno non apra la scatola, il gatto possa essere contemporaneamente sia vivo che morto. L’apparente paradosso scaturisce dal fatto che in meccanica quantistica non è possibile descrivere classicamente gli oggetti e si ricorre così ad una rappresentazione probabilistica.
Ad esempio, per mostrare il fatto che una particella può collocarsi in diverse posizioni la si descrive come se essa sia contemporaneamente in tutte le posizioni che può assumere. Ad ogni posizione possibile corrisponde la probabilità che, osservando la particella, essa si trovi proprio in quella posizione. L’operazione di osservazione, tuttavia, modifica irrimediabilmente il sistema poiché, una volta osservata in una posizione, la particella assume definitivamente quella posizione e quindi non si trova più in una sovrapposizione di stati. Allo stesso modo, aprire la scatola significa causare un cambiamento casuale dello stato, forzando il gatto ad essere morto oppure vivo. Il salto quantico, allora, è il discreto (non continuo) e casuale cambiamento dello stato quando viene osservato.
Prevedere quando un sistema quantistico “salterà” da uno stato all'altro è impossibile, almeno così era fino a qualche mese fa. I ricercatori di Yale, infatti, a giugno di quest’anno hanno pubblicato uno studio sulla rivista Nature che spiega la loro scoperta di un sistema di allarme precoce per i salti quantistici. L’esperimento è stato effettuato irradiando con tre generatori di microonde un atomo artificiale superconduttore racchiuso in una cavità di alluminio. Le radiazioni a microonde agitano l’atomo artificiale mentre viene osservato simultaneamente, rilevando la presenza dei salti quantici. Il piccolo segnale quantico di questi salti può essere amplificato e monitorato in tempo reale, consentendo ai ricercatori di notare dei momenti di improvvisa assenza dei fotoni emessi dall’atomo eccitato dalle microonde. Questa piccola assenza è risultata l’avvertimento di un salto quantico imminente.
L’effetto rivelato da questo esperimento, spiegano gli scienziati, è l’aumento della coerenza durante il salto, nonostante la sua osservazione. Questa caratteristica può essere utilizzata non solo per predire il salto stesso, ma addirittura per invertirlo. Si tratta, in effetti, di una scoperta molto importante perché, mentre il salto quantico sembra essere casuale e non prevedibile, poter invertire un salto quantico significa che l’evoluzione dello stato quantico della materia possiede in parte una natura deterministica e non casuale: il salto accade sempre nello stesso prevedibile modo, nonostante il suo casuale punto di partenza.
Questa capacità di invertire i salti quantici rivela come questa nuova scoperta possa essere profondamente utile nello sviluppo dei computer quantistici. Le unità di base delle informazioni nei sistemi di calcolo quantistico sono note come qubit. Sono analoghi ai bit utilizzati nel calcolo tradizionale, ma anziché essere 1 o 0, un qubit può trovarsi contemporaneamente in entrambi gli stati. I quibit cambiano stato nei sistemi di calcolo quantistico a seguito di errori di calcolo. Ora che i ricercatori hanno un modo per prevedere i salti, si possono correggere più rapidamente gli errori e gestire i dati quantistici, rendendo una delle sfide chiave per creare validi computer quantistici un po’ meno stimolante.
«I salti quantici di un atomo sono in qualche modo analoghi all'eruzione di un vulcano», ha detto Zlatko Minev, uno dei ricercatori impegnati nell’esperimento. «Sono completamente imprevedibili a lungo termine. Tuttavia, con il corretto monitoraggio possiamo rilevare con certezza un avviso anticipato di un disastro imminente e agire su di esso prima che si verifichi».
Nel caso del famoso paradosso del gatto di Schrödinger, l’implicazione della scoperta consiste nel fatto che si possa indirettamente intuire la transizione del gatto tra lo stato “vivo” e lo stato simultaneo “vivo e morto”, intervenendo in tempo per salvare il felino.
