E’ possibile anticipare e prevedere il salto quantistico

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Gatto di Schrödinger, ora possiamo sapere in anticipo se è vivo o morto. Sapere in anticipo se il gatto di Schrödinger sta per morire è possibile? È quello che ha provato a fare (anche se ovviamente con gli atomi e non su un vero gatto) un gruppo di fisici, coordinati dalla Yale University. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile anticipare e prevedere un salto quantico da uno stato fisico a un altro in un particolare atomo superconduttore. Lo studio è in linea con attuali teorie quantistiche (la quantum trajectory theory), introdotte negli anni ’90. Idealmente, la nuova ricerca consentirebbe di prevedere se il gatto di Schrödinger sta per morire e salvarlo: questo particolare esperimento, attraverso il sistema specifico realizzato dagli autori, consentirebbe di scardinare, almeno a livello teorico, uno dei pilastri classici della meccanica quantistica, su cui si basa il paradosso del “gatto di Schrödinger”. I risultati sono pubblicati su Nature.

La quantistica, un mondo inedito

La quantistica è un inedito mondo che comprende il regno sub-microscopico, in cui alcuni elementi di dimensioni piccolissime (particelle subatomiche come gli elettroni) possono trovarsi contemporaneamente in più di un luogo diverso. Questo mondo è inedito perché provando a applicare le leggi della quantistica al mondo macroscopico si ottengono situazioni irreali e paradossali che sono inesistenti, dato che un oggetto non può trovarsi contemporaneamente in due luoghi o due stati (come la vita e la morte) diversi.

Il gatto di Schrödinger

Un esempio è fornito il paradosso, molto noto ai fisici, del gatto di Schrödinger (dal nome del fisico che ha ideato l’esperimento mentale, appunto Erwin Schrödinger, nel 1935). Alla base del paradosso c’è un esperimento puramente ideale, che serve per spiegare il principio di sovrapposizione e il collasso degli stati, due elementi fondamentali della meccanica quantistica.

Nell’esperimento viene inserito un gatto in una scatola d’acciaio contente un marchingegno mortale, che può avvelenare l’animale oppure risparmiarlo. Secondo le leggi della quantistica, fino a quando un osservatore esterno non compie una misura, ovvero fino a quando non si apre la scatola, il gatto si trova contemporaneamente in due stati, cioè è sia vivo sia morto. In questo paradosso il gatto di Schrödinger si trova in una sovrapposizione di due stati, vita e morte, che rappresentano una somma matematica di due condizioni entrambe possibili con la stessa probabilità, fino a quando non si apre la scatola.

Lo studio di oggi

I ricercatori si sono chiesti se c’è qualche possibilità di salvare il gatto e prevenire il caso in cui aprendo la scatola lo si trovi morto. La risposta è sì, almeno su un atomo artificiale superconduttore, un complesso sistema realizzato dagli autori. Gli scienziati sono riusciti a anticipare il salto quantico, ovvero il passaggio dell’atomo da uno stato ad un altro ad energia più elevata. Che potrebbe trovare applicazione nel mondo dei computer quantistici in cui i qubit, le unità dell’informazione quantistica, saltano in continuazione e i ricercatori devono riuscire a gestire gli errori di calcolo, che sono appunto rappresentati da alcuni di questi salti.

“Questi salti si verificano ogni volta che misuriamo un qubit”, ha spiegato Michel Devoret, docente di fisica alla Yale University. “I salti quantici sono noti per essere imprevedibili nel lungo periodo”. “Nonostante ciò – ha aggiunto Zlatko Minev, primo autore del paper – volevamo capire se fosse possibile ottenere in anticipo un segnale di avvertimento che questo salto stia per accadere in maniera imminente”.

Monitorare il gatto senza aprire la scatola

Per riuscire in questo obiettivo gli autori hanno realizzato un sistema composto da un atomo artificiale superconduttore, monitorato indirettamente, con tre generatori a microonde che irradiano l’atomo racchiuso in una cavità 3D di alluminio. Mentre la radiazione a microonde agita l’atomo, questo viene osservato simultaneamente – un po’ come se fosse possibile osservare cosa accade dentro la scatola del gatto di Schrödinger senza aprirla. Il segnale associato a un salto quantico viene poi amplificato dai ricercatori e un’improvvisa assenza di particelle ha permesso di anticipare e ha fornito un segnale di avvertimento di un imminente salto quantico, spiegano gli autori.

I salti quantici del gatto di Schrödinger

Ma c’è di più. In questo esperimento il salto quantico non è né repentino né casuale, un elemento che contrasta con le teorie di Niels Bohr, che nel 1913 ha introdotto il salto quantico come un salto fra due livelli di energia discreti, ovvero separati da un’interruzione, di un atomo, e osservato per la prima volta negli atomi soltanto negli anni ’80. Secondo le sue teorie, un salto quantico è un evento casuale e dunque del tutto imprevedibile.

Il risultato di oggi, invece, dimostrerebbe che questi salti non sono del tutto casuali. “I risultati sperimentali dimostrano che l’evoluzione di ciascun salto finito è continua, coerente e deterministica”, scrivono gli autori nel paper, specificando che si tratta di un punto centrale.

Mentre i salti quantici appaiono repentini e casuali a lungo termine, lo studio dimostra che dallo studio dell’evoluzione dello stato della materia è possibile in qualche modo prevederli dal loro punto di partenza casuale. “I salti quantici di un atomo possono essere paragonati all’eruzione di un vulcano“, ha spiegato Minev. “Sono assolutamente imprevedibili a lungo termine, tuttavia, con il monitoraggio corretto, possiamo con certezza rilevare un avvertimento anticipato di un disastro imminente e agire su di esso prima che si verifichi”.

Via Wired.it

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