Dal Cnr, la macchina per generare lo zoo di Schrödinger

Lo zoo di Schrödinger

Zoo di Schrödinger – Il paradosso del gatto di Schrödinger è un esperimento mentale ideato nel 1935 da Erwin Schrödinger, con lo scopo di illustrare come l’interpretazione “ortodossa” della meccanica quantistica (interpretazione di Copenaghen) fornisca risultati paradossali se applicata ad un sistema fisico macroscopico.

Dimostrato a Firenze, nei laboratori dell’Ino-Cnr, l’analogo ottico di una “macchina di Schrödinger” che non si limita a produrre sovrapposizioni di gatti vivi e morti, ma è in grado di trasformare qualsiasi sistema fisico al suo ingresso in una sovrapposizione di stati tra loro incompatibili. La ricerca, pubblicata su Physical Review Letters, apre nuovi scenari nello sviluppo di tecnologie basate sui principi della meccanica quantistica

zoo di Schrödinger

L’esperimento di Schrödinger

L’esperimento ideato da Schrödinger nacque nel contesto della discussione del paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), pubblicato nel 1935. Il paradosso EPR criticava una caratteristica fondamentale dei sistemi quantistici secondo l’interpretazione di Copenaghen (sviluppata da Bohr e Heisenberg), successivamente nota come entanglement quantistico. Secondo la teoria ortodossa, due sistemi fisici interagenti devono essere trattati come un sistema unico, descritto da un unico stato quantico: uno stato “entangled”, ovverosia “intrecciato”.

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Schrödinger, che condivideva lo scetticismo verso la teoria ortodossa, fece notare un altro aspetto problematico. Il principio di sovrapposizione, uno dei cardini della meccanica quantistica, afferma che se un sistema può trovarsi in due stati distinti, può trovarsi anche in una qualsiasi loro combinazione lineare. Questa sovrapposizione ha come conseguenza osservabile un fenomeno di interferenza (si veda ad esempio l’esperimento della doppia fenditura). Se però si esegue un’osservazione del sistema, questo viene indotto ad assumere uno stato determinato. Secondo Schrödinger, questo postulato e il concetto di entanglement avevano conseguenze potenzialmente paradossali. In particolare, il fisico austriaco descrisse un esperimento ideale in cui la sovrapposizione di due stati atomici distinti può essere “trasferita” ad un oggetto macroscopico, andando decisamente contro il senso comune.



La ricerca del Cnr sul gatto di Schrödinger

Le vicende del gatto di Schrödinger che, chiuso in una scatola isolata dal resto del mondo, può essere contemporaneamente sia vivo che morto finché non lo si osserva, hanno da sempre affascinato i fisici e stimolato la curiosità del grande pubblico verso gli apparenti paradossi della meccanica quantistica, la più avanzata teoria sul funzionamento del mondo microscopico.

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Negli ultimi anni, raffinatissimi esperimenti realizzati in varie parti del mondo hanno dimostrato la correttezza delle previsioni quantistiche, riuscendo a produrre situazioni analoghe a quella del gatto di Schrödinger per sistemi fisici di vario tipo, siano essi debolissimi impulsi di luce, gruppi di atomi freddi o singole molecole. In tali esperimenti si fa coesistere simultaneamente un oggetto microscopico (l’analogo del gatto) in una sovrapposizione di due possibili stati tra loro assolutamente incompatibili (come l’essere allo stesso tempo sia vivo che morto). Nel caso della luce, un singolo impulso laser può così assumere contemporaneamente due colori diversi oppure oscillare con due fasi opposte, mentre un atomo si può trovare simultaneamente in due posizioni distinte o muoversi in due direzioni contrarie.

Nel nostro laboratorio, con la collaborazione di colleghi teorici dell’Imperial College di Londra, abbiamo scelto di seguire una strada alternativa e molto più generale”, afferma Marco Bellini, responsabile assieme ad Alessandro Zavatta del gruppo sperimentale dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) e del Lens dell’Università di Firenze. “Invece di puntare a produrre un determinato stato di sovrapposizione per un particolare sistema fisico, ci siamo concentrati sul problema generale di come realizzare sovrapposizioni di operazioni di tipo opposto”.

È un po’ come se i ricercatori fossero riusciti ad applicare simultaneamente al gatto del famoso paradosso le due azioni di ‘uccidere’ e ‘lasciare in vita’. Il vantaggio di un tale approccio è che, a questo punto, non ci si deve più limitare alla generazione di soli gatti di Schrödinger, ma lo stesso schema può facilmente porre qualsiasi altra creatura in uno stato di sovrapposizione tra la ‘vita’ e la ‘morte’.

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Sbocchi futuri della ricerca del Cnr sul gatto di Schrödinger

Ovviamente, in laboratorio non ci siamo occupati di gatti o altri animali ma, molto più semplicemente (ed eticamente), di deboli impulsi di luce laser”, continua quindi Bellini. “Abbiamo comunque dimostrato che, in linea di principio, questa tecnica potrebbe essere applicata per creare sovrapposizioni quantistiche di stati tra loro classicamente incompatibili (detti anche ortogonali) a partire da sistemi fisici arbitrari”.

Una tale ‘macchina di Schrödinger’, in grado di trasformare un intero ‘zoo’ di stati di ingresso in sovrapposizioni di tali stati e dei loro opposti, costituisce un eccezionale mezzo di indagine verso una comprensione più profonda di fenomeni fisici fondamentali e potrà anche essere utilizzata per produrre nuovi tipi di ‘qubit’, l’unità base di elaborazione dei futuri calcolatori quantistici.