I fisici creano il più grande

Jan 15, 2024

I fisici hanno messo l’oggetto più grande mai visto in una sovrapposizione quantistica

Un cristallo di zaffiro del peso di 16 microgrammi è l'oggetto più grande mai esistito in una sovrapposizione quantomeccanica di due stati vibrazionali. I ricercatori dell’Hybrid Quantum Systems Group presso l’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo (ETH Zurigo) hanno eccitato il cristallo in vibrazioni tali che i suoi atomi oscillavano avanti e indietro simultaneamente e in due direzioni opposte, mettendo l’intero cristallo in quello che è noto come a stato di sovrapposizione quantistica.

Come riferisce il gruppo di ricerca su Science, questa condizione è molto simile a quella del gatto nel famoso esperimento mentale del fisico Erwin Schrödinger. Nello scenario quantomeccanico di Schrödinger, un gatto è contemporaneamente vivo e morto, a seconda del decadimento di un atomo che rilascia una fiala di veleno. Il vetro zaffiro nel nuovo esperimento è stato messo nell'equivalente macroscopico di quello "stato di gatto". Tali stati possono aiutare gli scienziati a capire come e perché le leggi del mondo quantistico passano alle regole della fisica classica per oggetti più grandi.

[Maggiori informazioni sugli esperimenti sullo "stato del gatto" in fisica]

Per far sì che lo zaffiro, composto da circa 1017 atomi, si comportasse come un oggetto quantomeccanico, il gruppo di ricerca lo ha fatto oscillare e lo ha accoppiato a un circuito superconduttore. (Nei termini dell'esperimento mentale originale, lo zaffiro era il gatto e il circuito superconduttore era l'atomo in decomposizione.) Il circuito era usato come un qubit, o bit di informazione quantistica che si trova contemporaneamente negli stati "0" e " 1." La sovrapposizione del circuito è stata poi trasferita all'oscillazione del cristallo. Pertanto, gli atomi nel cristallo potrebbero muoversi in due direzioni contemporaneamente, ad esempio su e giù, proprio come il gatto di Schrödinger è vivo e morto allo stesso tempo.

È importante sottolineare che la distanza tra questi due stati (vivo e morto o su e giù) doveva essere maggiore della distanza attribuita al principio di incertezza quantistica, come hanno confermato gli scienziati dell’ETH di Zurigo. Utilizzando il qubit superconduttore, i ricercatori sono riusciti a determinare la distanza tra i due stati vibrazionali del cristallo. Con le sue dimensioni di circa due miliardesimi di nanometro, è minuscolo, ma comunque abbastanza grande da distinguere senza dubbio questi due stati l'uno dall'altro.

Questi risultati hanno "superato i limiti di ciò che può essere considerato meccanico quantistico in un vero esperimento di laboratorio", afferma Shlomi Kotler, un fisico che studia circuiti quantomeccanici all'Università Ebraica di Gerusalemme. Kotler non ha partecipato allo studio.

Per gli oggetti della meccanica quantistica – esistenti su scala di atomi e particelle subatomiche – tali sovrapposizioni di stati classicamente incompatibili sono comuni. Gli oggetti macroscopici formati da moltissimi atomi, invece, obbediscono normalmente alla meccanica classica: non possono assumere due stati contraddittori contemporaneamente. Proprio come un gatto non può essere vivo e morto allo stesso tempo, un cristallo non può vibrare su e giù contemporaneamente. Il grande enigma qui, tuttavia, è il motivo per cui di solito non è possibile. Dopotutto, non importa quanto grande sia un oggetto, è composto da atomi e particelle subatomiche che obbediscono alle regole della fisica quantistica.

Kotler osserva che trovare stati felini più grandi è un modo per "allungare il limite" degli oggetti quanto-meccanici osservati, in questo caso, dimostrando che in questo stato può esistere qualcosa di massiccio quanto 16 microgrammi. (Anche se, per essere chiari, 16 microgrammi sono ancora microscopici.)

Esistono diverse possibili spiegazioni per cui gli oggetti più grandi non seguono la meccanica quantistica. Ad esempio, all’aumentare del numero di atomi, forse sempre più influenze causano il decadimento degli stati quantomeccanici. Un’altra possibilità è che la gravità abbia un ruolo. La speranza è che Stati felini sempre più grandi possano aiutare a risolvere il puzzle del gatto di Schrödinger.

In effetti, Matteo Fadel dell'ETH di Zurigo, che ha co-diretto lo studio con Marius Bild e Yu Yang, spera di sfruttare il successo del team con lo zaffiro e il superconduttore per testare alcune di queste possibilità. "Sono interessato a esplorare il potenziale dei nostri dispositivi per indagare la fisica fondamentale, inclusa la fenomenologia della gravità quantistica a bassa energia", afferma Fadel.