Gatti quantistici schiacciati
Il professore dell'ETH Jonathan Home e i suoi collaboratori hanno cercato in profondità nella loro scatola dei trucchi e hanno creato i cosiddetti "gatti di Schr?dinger compressi". Questi sistemi quantistici potrebbero essere estremamente utili per le tecnologie future.
La fisica quantistica è ricca di fenomeni affascinanti. Ad esempio, c'è il gatto del famoso esperimento di fisica di Erwin Schr?dinger. Può essere vivo e morto allo stesso tempo, poiché la sua vita dipende dallo stato quantomeccanico di un atomo in decadimento radioattivo, che a sua volta rilascia gas velenosi nella gabbia del gatto. Finché lo stato dell'atomo non è stato misurato, non si sa nulla dello stato di salute del povero gatto: atomo e gatto sono strettamente "entangled" l'uno con l'altro.
I cosiddetti stati quantistici compressi, un po' meno noti, sono altrettanto sorprendenti: Normalmente, secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, alcune coppie di misurandi fisici - ad esempio la posizione e la velocità di una particella quantistica - non possono essere determinate con precisione arbitraria. Tuttavia, la natura consente un compromesso: se la particella viene preparata in modo appropriato, una delle grandezze può essere misurata in modo più preciso in cambio di una conoscenza meno precisa dell'altra grandezza. In questo caso, la preparazione è chiamata "spremitura" perché l'incertezza di uno dei misurandi viene ridotta (spremuta).
Il gatto di Schr?dinger e gli stati quantistici compressi sono già di per sé importanti fenomeni fisici su cui si basano promettenti tecnologie future. I ricercatori del Fare all'ETH sono ora riusciti a combinare in modo proficuo i due fenomeni in un esperimento.
Schiacciamento e spostamento
Nel loro laboratorio, Jonathan Home, professore di Ottica e Fotonica Quantistica Sperimentale, e i suoi colleghi intrappolano un singolo ione calcio elettricamente carico in una minuscola gabbia di campi elettrici. Con l'aiuto di raggi laser, raffreddano lo ione a tal punto che si muove solo in minima parte nella gabbia. Poi hanno messo mano al loro bagaglio di trucchi: I ricercatori "spremono" lo stato di moto dello ione bombardandolo con la luce laser, sfruttando abilmente il decadimento spontaneo dei suoi stati energetici. Alla fine, la funzione d'onda dello ione (che indica la sua probabilità di localizzazione spaziale) viene letteralmente schiacciata: la fisica ora sa con più precisione dove si trova lo ione dal punto di vista spaziale, ma l'incertezza sulla sua velocità è aumentata di conseguenza. "Questa compressione di stato è uno strumento importante per noi", spiega Home. "Insieme a un secondo strumento - le cosiddette forze dipendenti dallo stato - possiamo creare un 'gatto di Schr?dinger compresso'".
A tal fine, lo ione viene nuovamente esposto a raggi laser che lo spostano a destra o a sinistra. La direzione delle forze generate dal laser dipende dallo stato energetico interno dello ione. Questo può essere visualizzato come una freccia che punta verso l'alto o verso il basso o come il cosiddetto spin. Se lo ione si trova in uno stato di sovrapposizione energetica di "spin up" e "spin down", la forza agisce sia a destra che a sinistra. Ne risulta una situazione particolare che assomiglia al gatto di Schr?dinger: Lo ione si trova in uno stato ermafrodita, cioè contemporaneamente a destra (il gatto è vivo) e a sinistra (il gatto è morto). Solo quando si misura lo spin si capisce se lo ione è a destra o a sinistra.
Gatti stabili per i computer quantistici
La particolarità del gatto di Schr?dinger di Home e collaboratori è che la compressione iniziale rende particolarmente facile distinguere tra gli stati ionici "destro" e "sinistro". Allo stesso tempo, il gatto è piuttosto grande, poiché gli stati ionici sono molto distanti tra loro. "Anche senza la compressione, il nostro 'gatto' è il più grande che sia stato prodotto finora", sottolinea Home. "Con la compressione, gli stati 'destro' e 'sinistro' sono ancora più facili da distinguere: sono sessanta volte più stretti della distanza che li separa". Naturalmente, non si tratta solo di record scientifici, ma anche di applicazioni pratiche. I gatti di Schr?dinger schiacciati sono estremamente stabili rispetto a certe perturbazioni che normalmente li portano a diventare "gatti" del tutto normali senza proprietà quantistiche. Questa stabilità potrebbe essere utilizzata, ad esempio, per realizzare computer quantistici che calcolano con sovrapposizioni quantistiche. Anche le misure ultraprecise potrebbero diventare meno sensibili alle influenze esterne indesiderate.
Letteratura di riferimento
Lo HY, Kienzler D, de Clercq L, Marinelli M, Negnevitsky V, Keitch, BC, Home JP: Spin-motion entanglement and state diagnosis with squeezed oscillator wavepackets. Nature, 21 maggio 2015, doi: pagina esterna10.1038/nature14458