I gattini di Schrödinger non sono mai stati molto carini e l’ultima cucciolata non fa eccezione. È improbabile che le immagini di nuvole nebulose di atomi ultracold o strisce microscopiche di silicio diventino virali su Internet. Tuttavia, questi oggetti esotici meritano attenzione, perché mostrano con chiarezza senza precedenti che la meccanica quantistica non è solo la fisica dell’estremamente piccolo.
“I gattini di Schrödinger”, in parole povere, sono oggetti di dimensioni intermedie tra la scala atomica, che la meccanica quantistica è stata originariamente sviluppata per descrivere, e il gatto che Erwin Schrödinger ha notoriamente invocato per evidenziare l’apparente assurdità di ciò che quella teoria sembrava implicare. Questi sistemi sono “mesoscopici” -forse intorno alle dimensioni di virus o batteri, composti da molte migliaia o addirittura miliardi di atomi, e quindi molto più grandi delle scale tipiche in cui di solito appaiono proprietà quantomeccaniche controintuitive. Sono progettati per sondare la domanda: quanto grande si può ottenere pur preservando quelle proprietà quantistiche?
Per giudicare dagli ultimi risultati, la risposta è: dannatamente grande. Due tipi distinti di esperimenti-entrambi condotti da diversi gruppi in modo indipendente-hanno dimostrato che un gran numero di atomi può essere collocato in stati quantici collettivi, dove non possiamo sicuramente dire che il sistema abbia un insieme di proprietà o un altro. In una serie di esperimenti, questo significava “impigliare” due regioni di una nuvola di atomi freddi per rendere le loro proprietà interdipendenti e correlate in un modo che sembra incurante della loro separazione spaziale. Nell’altro, microscopici oggetti vibranti sono stati manovrati in cosiddette sovrapposizioni di stati vibrazionali. Entrambi i risultati sono vagamente analoghi al modo in cui il famigerato gatto di Schrödinger, mentre nascosto nella sua scatola, si diceva fosse in una sovrapposizione di stati vivi e morti.
La questione di come le regole della meccanica quantistica si trasformano in apparenza molto diverse regole della meccanica classica — dove gli oggetti sono ben definite proprietà, posizioni e percorsi — ha disorientato gli scienziati fin teoria quantistica è stato sviluppato all’inizio del 20 ° secolo. C’è qualche differenza fondamentale tra grandi oggetti classici e piccoli quantistici? Questo enigma della cosiddetta transizione quantistica-classica è stato evidenziato in modo iconico dall’esperimento mentale di Schrödinger.
Il povero gatto è una bestia molto incompresa. Il punto di Schrödinger non era, come spesso implicito, l’apparente assurdità della meccanica quantistica se estrapolata alla scala quotidiana. Il gatto era il prodotto della corrispondenza tra Schrödinger e Albert Einstein, dopo che Einstein aveva criticato l’interpretazione della meccanica quantistica sostenuta dal fisico danese Niels Bohr e dai suoi colleghi.
Bohr sosteneva che la meccanica quantistica sembra costringerci a concludere che le proprietà degli oggetti quantistici come gli elettroni non hanno valori ben definiti finché non li misuriamo. Per Einstein, sembrava folle che qualche elemento della realtà dipenda dal nostro intervento cosciente per portarlo in essere. Con due colleghi più giovani, Boris Podolsky e Nathan Rosen, presentò un esperimento mentale nel 1935 che sembrava rendere impossibile quell’interpretazione. I tre di loro (il cui lavoro ora va sotto l’etichetta collettiva EPR) hanno notato che le particelle possono essere create in stati che devono essere correlati tra loro, nel senso che se uno di essi ha un valore particolare per qualche proprietà, l’altro deve avere qualche altro valore particolare. Nel caso di due elettroni, che hanno una proprietà chiamata spin, uno spin potrebbe puntare “su” mentre lo spin dell’altro elettrone punta “verso il basso.”
In questo caso, secondo Einstein e i suoi colleghi, se Bohr ha ragione e le direzioni effettive degli spin sono indeterminate fino a quando non le misuri, allora la correlazione dei due spin significa che misurando uno di essi si fissa istantaneamente l’orientamento dell’altro — non importa quanto lontano sia la particella. Einstein chiamò questa connessione apparente ” azione spettrale a distanza.”Ma un tale fenomeno dovrebbe essere impossibile, perché la teoria della relatività speciale di Einstein mostra che nessuna influenza può propagarsi più velocemente della luce.
Schrödinger chiamò questa correlazione tra le particelle “entanglement.”Gli esperimenti dal 1970 hanno dimostrato che si tratta di un vero fenomeno quantistico. Ma questo non significa che le particelle quantistiche possano in qualche modo influenzarsi l’un l’altro istantaneamente nello spazio attraverso l’azione spettrale di Einstein. È meglio dire che le proprietà quantistiche di una singola particella non sono necessariamente determinate in un posto fisso nello spazio, ma possono essere “non locali”: pienamente specificate solo in relazione a un’altra particella altrove, in un modo che sembra minare la nostra nozione intuitiva di spazio e distanza.
Il gatto di Schrödinger è nato dalle sue riflessioni sulle peculiarità dell’entanglement EPR. Schrödinger ha voluto mostrare come l’idea di Bohr che nulla è fisso fino a quando non viene misurato potrebbe portare all’assurdità logica se immaginassimo di soffiare l’entanglement fino alle dimensioni quotidiane. Il suo esperimento mentale pone il gatto sfortunato in una scatola chiusa con una fiala di veleno letale, che può essere rotto aperto da qualche meccanismo che lo collega a — di fatto, lo intrappola con — una particella quantistica o un evento. Il grilletto potrebbe provenire da un elettrone, rompendo la fiala se ha rotazione verso l’alto, ma non se ha rotazione verso il basso. È quindi possibile preparare l’elettrone in una cosiddetta sovrapposizione di stati, in cui sia lo spin verso l’alto che lo spin verso il basso sono possibili risultati di una misurazione. Ma se lo spin è indeterminato prima della misurazione, allora deve essere lo stato del gatto — non c’è modo di dire in modo significativo se è vivo o morto. E questo è sicuramente senza senso.
Il punto di Schrödinger non era semplicemente che le regole quantistiche portassero a sciocchezze apparenti quando applicate alla scala di tutti i giorni — non hai bisogno di un gatto per questo. Piuttosto, voleva trovare una dimostrazione estrema di come rinviare qualsiasi assegnazione di uno stato definito (vivo o morto) fino a quando la misurazione è stata fatta (aprendo la scatola per guardare) potrebbe portare a implicazioni che sembrano non solo strane ma logicamente proibite.
A Bohr questo sarebbe sembrato uno scenario non valido — la misurazione, come aprire la scatola e guardare il gatto, era per lui sempre un processo macroscopico e quindi classico, quindi le regole quantistiche non si sarebbero più applicate. Ma allora come fa la misurazione a garantire quella trasformazione magica da quantistica a classica?
Invece di discuterne, perché non fare semplicemente l’esperimento? Il problema è che, mentre era tutto molto bene per Schrödinger immaginare di fare un gatto “quantum” accoppiandolo a qualche evento su scala atomica, non è affatto chiaro come — o addirittura se — possiamo farlo scalare in pratica, o in effetti cosa potrebbe significare una sovrapposizione di vivi e morti in termini di stati quantici.
Ma con tecniche moderne, possiamo immaginare di creare sovrapposizioni quantistiche ben definite di oggetti relativamente grandi-non grandi come i gatti, ma molto più grandi degli atomi solitari — e sondare le loro proprietà. Questo è ciò che gli sforzi per creare i gattini di Schrödinger sono tutti circa.
“Molti fisici non si aspettano davvero sorprese su larga scala”, ha detto Simon Gröblacher della Delft University of Technology nei Paesi Bassi. “Ma semplicemente non si sa cosa succederà se inizi a creare stati quantici con circa 1023 atomi”, che è la scala tipica degli oggetti di uso quotidiano.
I nuovi esperimenti mostrano che, nonostante ciò che pensava Schrödinger, oggetti relativamente grandi possono effettivamente esibire un comportamento quantistico controintuitivo.
Gröblacher ei suoi colleghi hanno creato microbeams di silicio, ogni 10 micrometri di lunghezza e 1 da 0,25 micrometri in sezione trasversale. Ognuno caratterizzato fori lungo le travi che assorbono e intrappolare la luce laser a infrarossi. I ricercatori hanno poi eccitato quei fasci di luce inviati in una sovrapposizione di percorsi, uno per ogni fascio. Così facendo, sono stati in grado di intrappolare due fasci in un singolo stato vibrazionale quantistico. Si potrebbe pensare ad esso come il piccolissimo equivalente di due gatti impigliati.
Un altro tipo di intreccio tra oscillatori meccanici è stato riportato, in documenti back-to-back con il team di Gröblacher su Nature, da Mika Sillanpää dell’Università di Aalto in Finlandia e colleghi. Hanno accoppiato due microscopiche lamiere simili a una testa di tamburo tramite un filo superconduttore. Il filo può contenere una corrente elettrica oscillante alle frequenze delle microonde (circa 5 miliardi di vibrazioni al secondo); il suo campo elettromagnetico esercita una pressione sulle piastre vibranti. ” I campi elettromagnetici agiscono come una sorta di mezzo che costringe i due tamburi nello stato quantico impigliato”, ha detto Sillanpää.
I ricercatori hanno a lungo cercato di ottenere effetti quantistici come la sovrapposizione e l’entanglement in “grandi” oscillatori micromeccanici come questi, che hanno miliardi di atomi in essi. “Gli stati impigliati degli oscillatori meccanici sono stati discussi teoricamente dalla fine degli anni’ 70, ma solo negli ultimi anni è stato tecnicamente possibile creare tali stati”, ha detto Sillanpää.
Ciò che rende questi esperimenti un tale tour de force è che evitano il processo che generalmente trasforma oggetti di grandi dimensioni da quelli governati da regole quantistiche in quelli che obbediscono alla fisica classica. Questo processo sembra fornire la parte mancante (almeno, la maggior parte di esso) del puzzle di misura, che Bohr ha lasciato così esasperatamente vago.
Si chiama decoerenza — e, piuttosto ordinatamente, si tratta di entanglement. Secondo la meccanica quantistica, l’entanglement è un risultato inevitabile di qualsiasi interazione tra due oggetti quantistici. Quindi, se un oggetto — un gatto, diciamo-inizia in una sovrapposizione di stati, quella sovrapposizione — quella quantumness, si potrebbe dire — si diffonde mentre l’oggetto interagisce con il suo ambiente e diventa sempre più impigliato con esso. Ma se vuoi effettivamente osservare la sovrapposizione, dovrai dedurre il comportamento quantistico di tutte le particelle impigliate. Questo diventa rapidamente impossibile, nello stesso modo in cui diventa impossibile rintracciare tutti gli atomi in un blob di inchiostro mentre si disperde in una piscina. A causa dell’interazione con l’ambiente, la natura quantistica della particella originale perde e viene dispersa. Questa è decoerenza.
I teorici quantistici hanno dimostrato che la decoerenza dà origine al tipo di comportamento visto nella fisica classica. E gli sperimentalisti lo hanno dimostrato in esperimenti in grado di controllare il tasso di decoerenza, dove gli effetti quantistici caratteristici come l’interferenza ondulatoria delle particelle svaniscono gradualmente man mano che la decoerenza procede.
La decoerenza, quindi, è centrale nell’attuale comprensione della transizione quantistica-classica. La capacità di un oggetto di mostrare un comportamento quantistico, come l’interferenza, la sovrapposizione e le correlazioni indotte dall’entanglement, non ha nulla a che fare con quanto è grande. Invece dipende da quanto è impigliato con il suo ambiente.
Tuttavia, la dimensione generalmente gioca un ruolo, perché più grande è un oggetto, più facilmente può impigliarsi con il suo ambiente e decohere. Un oggetto grande, caldo e irrequieto come un gatto non ha la speranza di rimanere in una sovrapposizione quantomeccanica di alcun tipo e decohere più o meno istantaneamente.
Se si infila semplicemente un gatto in una scatola e si collega il suo destino al risultato di qualche evento quantistico, non è probabile che lo si metta in una sovrapposizione di vivi e morti, perché la decoerenza lo costringerà quasi istantaneamente in uno stato o nell’altro. Se potessi sopprimere la decoerenza rimuovendo ogni interazione con l’ambiente (senza uccidere il gatto in un vuoto ultracold!)- bene, allora è un’altra storia e gli argomenti persistono. È quasi impossibile immaginare come ottenerlo per un gatto. Ma questo è in sostanza ciò che i team di Gröblacher e Sillanpää hanno ottenuto con i loro piccoli oscillatori.
Invece di lavorare verso il limite quantico-classico dall’alto verso il basso, vedendo se possiamo evocare la quantumness in un oggetto vibrante quando è abbastanza piccolo, possiamo arrivarci dal basso verso l’alto. Poiché sappiamo che effetti quantistici come sovrapposizione e interferenza sono facilmente visibili in singoli atomi e anche piccole molecole, potremmo chiederci fino a che punto questi effetti possono essere sostenuti mentre continuiamo ad aggiungere più atomi. Tre squadre hanno ora esplorato questa domanda, raggiungendo stati quantici per nuvole fino a decine di migliaia di atomi ultracold intrappolandoli in uno stato chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC).
Einstein e il fisico indiano Satyendra Nath Bose hanno sottolineato che un tale stato può esistere tra i bosoni (dal nome di Bose), una delle due classi generali di particelle fondamentali. In un BEC, tutte le particelle sono nello stesso singolo stato quantistico, il che significa in effetti che agiscono piuttosto come un grande oggetto quantistico. Poiché è un effetto quantistico, la condensazione di Bose-Einstein avviene solo a temperature molto basse, e un BEC è stato visto solo nella sua forma più pura — una nuvola di particelle bosoniche — nel 1995, in atomi di rubidio raffreddati a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto.
I BEC fatti da tali atomi ultracold hanno dato ai fisici un nuovo mezzo per indagare i fenomeni quantistici. In passato, i ricercatori hanno dimostrato che una tale nuvola — forse diverse migliaia di atomi — può essere collocata in uno stato in cui tutti gli atomi sono impigliati insieme.
Questi non sono strettamente gattini di Schrödinger, ha detto Carsten Klempt dell’Università Leibniz di Hannover in Germania. Questi sono generalmente definiti come sovrapposizioni di stati che sono così diversi come potrebbero essere: per esempio, tutti con spin verso l’alto e tutti con spin verso il basso (analogo a “vivo” e “morto”). Questo non è il caso in queste nubi impigliate di atomi. Tuttavia, mostrano ancora un comportamento quantistico su scala relativamente enorme.
C’è una condizione più importante, però, all’idea che siano incarnazioni “a scala di gattino” di entanglement in stile EPR. Gli atomi sono tutti mescolati insieme nello spazio e sono identici e indistinguibili. Ciò significa che, anche se sono impigliati, non puoi vederlo in termini di correlazione tra la proprietà di un oggetto qui e un altro lì. “I condensati di Bose-Einstein di atomi ultracold sono costituiti da grandi insiemi di atomi indistinguibili, letteralmente uguali in qualsiasi osservabile fisico”, ha detto Klempt. “Pertanto, la definizione originale di entanglement non può essere realizzata in essi.”In effetti, l’intero concetto di entanglement tra particelle indistinguibili è stato teoricamente contestato. ” Questo perché la nozione di entanglement richiede la possibilità di definire i sottosistemi che sono impigliati tra loro”, ha detto Philipp Kunkel dell’Università di Heidelberg in Germania.
Un tipo molto più chiaro di entanglement, direttamente analogo all’entanglement delle particelle spazialmente separate nell’esperimento mentale EPR, è stato ora dimostrato in tre esperimenti separati dal team di Klempt ad Hannover, dal gruppo di Kunkel (guidato da Markus Oberthaler) a Heidelberg e da un team guidato da Philipp Treutlein all’Università di Basilea in Svizzera. ” Il conflitto con la fisica classica è particolarmente sorprendente quando si osserva l’entanglement tra tali sistemi spazialmente separati”, ha detto Treutlein. “Questa è la situazione che il documento EPR del 1935 considera.”
Tutti e tre i gruppi utilizzavano nuvole da centinaia a migliaia di atomi di rubidio tenuti in campi di intrappolamento elettromagnetici (prodotti da dispositivi microscopici su un” chip atomico ” o generati da raggi laser incrociati). I ricercatori hanno utilizzato i laser a infrarossi per eccitare le transizioni quantistiche negli spin degli atomi e hanno cercato le correlazioni tra i valori di spin che sono il segno rivelatore dell’entanglement. Mentre i gruppi di Heidelberg e Basilea affrontavano due regioni diverse in un’unica grande nuvola, il gruppo di Klempt in realtà divideva la nuvola inserendo una regione di spazio vuoto nel mezzo.
I gruppi di Basilea e Heidelberg hanno dimostrato l’entanglement attraverso un effetto chiamato quantum steering, in cui l’apparente interdipendenza delle due regioni entangled viene sfruttata in modo che le misurazioni effettuate su una di esse consentano ai ricercatori di prevedere le misurazioni dell’altra. ” Il termine ‘sterzo’ è stato introdotto da Schrödinger”, ha spiegato Treutlein. “Si riferisce al fatto che, a seconda del risultato della misurazione nella regione A, lo stato quantico che usiamo per descrivere il sistema B cambia.”Ma questo non implica che ci sia alcun trasferimento istantaneo di informazioni o comunicazione tra A e B.” Non si può guidare lo stato del sistema distante in modo deterministico, poiché il risultato della misurazione è ancora probabilistico”, ha detto Kunkel. “Non c’è influenza causale.”
Questi risultati sono” molto eccitanti”, ha detto Jens Eisert della Libera Università di Berlino, che non è stato coinvolto nel lavoro. “L’entanglement nei vapori atomici è stato generato molto prima”, ha detto, ” ma ciò che è diverso qui sono i livelli di indirizzabilità e controllo in questi sistemi.”
A parte la dimostrazione più chiara dell’entanglement quando esiste tra regioni spazialmente separate, c’è anche un vantaggio pratico nel fare le cose in questo modo: puoi indirizzare le regioni separate individualmente per l’elaborazione delle informazioni quantistiche. ” Non è possibile nemmeno in linea di principio affrontare singoli atomi nel BEC senza influenzare tutti gli altri atomi, se sono tutti nella stessa posizione”, ha detto Treutlein. “Tuttavia, se possiamo affrontare individualmente le due regioni spazialmente separate, l’entanglement diventa disponibile per attività di informazione quantistica come il teletrasporto quantistico o lo scambio di entanglement.”Ciò, tuttavia, richiederà che la separazione fisica delle nuvole sia aumentata oltre ciò che è stato fatto negli esperimenti attuali, ha aggiunto. Idealmente, Klempt ha detto, si dovrebbe dividere ulteriormente la nuvola in atomi indirizzabili individualmente.
oggetti quantistici”grandi” come questi potrebbero anche permetterci di sondare nuova fisica: per scoprire, ad esempio, cosa succede quando la gravità inizia a diventare un’influenza significativa sul comportamento quantistico. “Con questo nuovo modo di controllare e manipolare grandi stati impigliati, potrebbe esserci spazio per sofisticati test di effetti quantistici nelle teorie gravitazionali”, ha detto Eisert. È stato proposto, ad esempio, che gli effetti gravitazionali potrebbero indurre un collasso fisico degli stati quantistici in quelli classici, un’idea che è in linea di principio suscettibile di sperimentare su sovrapposizioni o stati impigliati di grandi masse. Treutlein ha detto che un modo per testare i modelli di collasso fisico comporta l’interferenza tra distinte “onde di materia” atomiche-e, ha aggiunto, il BEC diviso e impigliato del suo gruppo può agire come un interferometro atomico. ” La maggior parte dei fisici probabilmente non si aspetta un’improvvisa rottura della fisica quantistica ” all’aumentare delle dimensioni del sistema, ha detto Klempt. Ma Kunkel ha aggiunto che ” è ancora una questione aperta, sperimentalmente e teoricamente, se esiste un limite fondamentale alla dimensione degli oggetti che possono essere impigliati l’uno con l’altro.”
” La domanda più interessante è se esiste una dimensione fondamentale in cui non si può in un certo senso creare entanglement”, ha detto Sillanpää. “Ciò significherebbe che qualcos’altro oltre alla normale meccanica quantistica entra nel quadro, e questo potrebbe essere, ad esempio, collasso a causa della gravità.”Se la gravità gioca un ruolo, ciò potrebbe offrire alcuni suggerimenti su come sviluppare una teoria della gravità quantistica che unisce le teorie attualmente incompatibili della meccanica quantistica e della relatività generale.
Sarebbe un bel colpo di stato per i gattini di Schrödinger. Per ora, rafforzano la convinzione generale che non ci sia nulla di speciale nel comportamento quantistico, al di là del fatto che si gira in una culla di gatto sempre più aggrovigliata da cui emerge la nostra classica rete. E nessun gatto deve essere ucciso nel processo.