Alcuni di voi avranno sentito spesso parlare del paradosso del gatto di Schrödinger. Chi non ha approfondito il discorso avrà più o meno capito che si tratta di un esperimento ideale legato alla meccanica quantistica e che, alla fine della storia, il gatto muore. Gli scienziati della Yale University, più per amore della fisica che per quello per il micio virtuale, hanno provato a salvare l’animale. Come? Nei prossimi paragrafi ci dedicheremo a un breve ripasso sul gatto di Schrödinger, sui salti quantici e capiremo la rilevanza dei risultati dello studio in campo tecnologico.
Alcuni di voi avranno sentito spesso parlare del paradosso del gatto di Schrödinger. Chi non ha approfondito il discorso avrà più o meno capito che si tratta di un esperimento ideale legato alla meccanica quantistica e che, alla fine della storia, il gatto muore. Gli scienziati della Yale University, più per amore della fisica che per quello per il micio virtuale, hanno provato a salvare l’animale. Come? Nei prossimi paragrafi ci dedicheremo a un breve ripasso sul gatto di Schrödinger, sui salti quantici e capiremo la rilevanza dei risultati dello studio in campo tecnologico.
Un mondo con strane regole e il destino di un gatto
Gli studiosi e gli appassionati di scienza lo conoscono bene, gli utenti della rete avranno visto qualche meme a lui dedicato senza capire bene perché fosse il protagonista di un esperimento e come facesse a essere contemporaneamente vivo e morto. È il gatto di Schrödinger. Ma procediamo a piccoli passi.
Il mondo submicroscopico, quello delle particelle subatomiche come gli elettroni, non è governato dalle stesse leggi che regolano quello macroscopico. La meccanica quantistica ci aiuta a capire come funziona. Prendiamo come esempio gli elettroni. Essi hanno una duplice natura di onda e particella e il loro comportamento può essere descritto da quella che è definita funzione d’onda la cui forma è data da un’equazione: l’equazione di Schrödinger. La sua soluzione non ci dice la posizione esatta dell’elettrone intorno al nucleo di un atomo ma ci riferisce la probabilità di ritrovarlo in una determinata regione dello spazio. Inoltre, come dichiara il principio di indeterminazione di Heisenberg, non è possibile misurare contemporaneamente e con precisione le proprietà che definiscono lo stato di una particella elementare: ad esempio, se potessimo determinare con precisione assoluta la posizione del nostro elettrone, avremo massima incertezza sulla sua velocità. Avrete capito che la meccanica quantistica descrive un mondo non deterministico, in cui è difficile fare previsioni certe.
Un altro tassello di questo ramo della fisica è il principio di sovrapposizione, per cui una particella può trovarsi in due stati opposti nello stesso momento. Secondo il modello quantico di Bohr, gli elettroni possono muoversi nell’atomo solo lungo certe orbite permesse o stazionarie corrispondenti a ben definiti livelli quantizzati di energia. Il passaggio da un livello (stato) all’altro è detto salto quantico. Ma un elettrone può trovarsi nel suo stato fondamentale e in uno stato energetico eccitato contemporaneamente. Ed ecco che per spiegare meglio questo fenomeno entra in ballo il gatto.
L’esperimento concettuale ideato da Schrödinger prevede che un gatto sia posto in una scatola con una sorgente radioattiva e del veleno che sarà rilasciato se un atomo della sostanza radioattiva decadrà. C’è il 50% di probabilità che questo accada. La teoria della sovrapposizione della fisica quantistica suggerisce che finché qualcuno non aprirà la scatola, il gatto sarà vivo e morto, uno stato per l’appunto di sovrapposizione.
I salti quantici: come prevederli
E se si riuscisse ad avere dei segnali che ci indichino se il gatto sta per morire, così da aprire la scatola in tempo e salvarlo? Fino a ora sembrava impossibile, considerando la natura casuale e immediata di questi fenomeni. Gli scienziati, però, hanno pensato di approfondire l’argomento e cercare una soluzione. Il gruppo di ricercatori di Yale ha utilizzato per l’esperimento un circuito elettrico che riproducesse un atomo con tre livelli di energia, raffreddato a una frazione di grado al di sopra dello zero assoluto (-273,15 °C), chiuso in una scatola di alluminio e irraggiato con tre generatori di microonde. Un fascio di microonde ha fornito l’energia necessaria per il salto quantico e l’altro ha permesso agli scienziati di monitorare la situazione, rendendoli in grado di rilevare i salti quantici quando l’atomo veniva eccitato o perdeva energia.
I risultati, pubblicati su Nature, hanno capovolto decenni di dogmi fondamentali della fisica quantistica: i salti quantici non sono esattamente quei salti bruschi tra livelli energetici ipotizzati in precedenza ma somigliano più a transizioni graduali. Le caratteristiche di quest’ultime sono state riscontrate in 6,8 milioni di salti quantici.
I salti quantici hanno, quindi, dimostrato di essere non prevedibili nel lungo termine ma di avere un’evoluzione che avviene sempre nella stessa maniera dal suo punto di partenza casuale. Come suggerisce Zlatko Minev, autore principale del lavoro: “I salti quantici di un atomo sono qualcosa di analogo all’eruzione di un vulcano. Sono completamente imprevedibili nel lungo termine. Tuttavia, con il corretto monitoraggio possiamo certamente rilevare un preavviso di un disastro imminente e agire prima che questo accada”.
Quando salvare un gatto significa migliorare i computer quantici
Va bene, ora sappiamo che il gatto può essere salvato e che un salto quantico può essere previsto e invertito. Ma quali sono le applicazioni di questi risultati? Questo è un grande passo avanti per l’informazione quantistica. Gestire dati quantici in maniera affidabile e correggere errori quando avvengono è una sfida fondamentale nello sviluppo di computer quantistici. Per elettroni, molecole o atomi artificiali che contengono quanti di informazioni, i qubit, un salto quantico è un’improvvisa transizione da uno dei suoi stati energetici discreti a un altro. Nello sviluppo dei computer quantistici i ricercatori devono avere a che fare con questi salti, manifestazione di errori nel calcolo nei qubit. Poter controllare tali errori e prevenirli significa essere sempre più vicini all’utilizzo di questa nuova tecnologia.
La stranezza della meccanica quantistica vi ha affascinati. Per conoscerla più a fondo vi consigliamo di leggere “Il mondo dei quanti – La bizzarra teoria alla base della realtà”, libro pubblicato in Italia da Edizioni Dedalo, a cura di Alison George e tradotto da Eva Filoramo.
Credits immagine: foto di karlins_u da Pixabay
