Gatto di Schrödinger: realizzato finalmente l’esperimento (ma senza usare il gatto)

 

 

Il famoso esperimento mentale del fisico austriaco è stato riprodotto utilizzando un “gatto” quantistico fatto da cristalli.

 

Tra gli animali famosi nella cultura pop, il gatto di Schrödinger è sicuramente nella top ten di quelli più citati. Conosciuto un tempo solo nella ristretta cerchia dei fisici, l’avvento di internet prima e dei social poi, l’hanno reso celebre al grande pubblico: passando anche per serie TV, film e meme, adesso è tra i felini più menzionati nella cultura popolare.

Non si tratta di un animale reale, ma di un immaginario gatto ipotizzato in un esperimento mentale che il fisico Erwin Schrödinger ideò nel 1935 per spiegare alcuni concetti apparentemente ambigui e non immediatamente intuibili, perché contro il senso comune, della meccanica quantistica.

Infatti, secondo la fisica quantistica, qualsiasi particella del mondo microscopico può esistere in una sovrapposizioni di stati, finche non viene osservata, vale a dire che si determina una sua configurazione esatta solo quando si effettua una misura su di essa.

Fino a quel momento può assumere tutte le configurazioni possibili contemporaneamente, anche due completamente opposte ed antitetiche che si escludono a vicenda, non essendo però realmente in nessuna di esse! Confusionario, vero? Se la particella fosse un animale, potremmo dire che esiste simultaneamente sia vivo sia morto, cosa che nella realtà quotidiana è ovviamente impossibile.

Per illustrare in modo chiaro il concetto, nell’esperimento mentale originale di Schrödinger, un gatto è rinchiuso all’interno di una scatola di metallo insieme a una sostanza radioattiva, un contatore Geiger e una fiaschetta di veleno.

In un certo lasso di tempo – un’ora, diciamo – un atomo nella sostanza può o non può decadere attraverso un processo meccanico quantistico con una certa probabilità, e i prodotti di decadimento potrebbero, una volta rivelati dal contatore Geiger, innescare un meccanismo che rompe la fiaschetta contenente il veleno, che alla fine ucciderebbe il gatto.

Poiché un osservatore esterno non può sapere se un atomo è effettivamente decaduto, non sa nemmeno se il gatto è vivo o morto, quindi, secondo la meccanica quantistica, che governa il decadimento dell’atomo, il felino dovrebbe essere in uno stato di sovrapposizione vivo / morto.

Naturalmente mai nessun gatto è stato impiegato in questo macabro esperimento e non si sa nemmeno perché Schrödinger abbia scelto questo animale – e non, per esempio, un topo – per questa allegoria: a Zurigo, fuori dalla sua ex casa a in Huttenstrasse 9, c’è un figura di gatto a grandezza naturale che commemora la sua idea; tuttavia, secondo la figlia, il fisico non aveva particolari simpatie per i felini.

Ma c’è modo di dimostrare l’idea di Schrödinger senza impiegare gatti, animali o esseri viventi?

Al Politecnico di Zurigo, un team di ricercatori guidato da Yiwen Chu, professore presso il Laboratory for Solid State Physics, ha ora creato un “gatto Schrödinger” di cristallo per verificare la correttezza del suo esperimento mentale.

I loro risultati, che sono stati pubblicati questa settimana sulla rivista scientifica Science, potrebbero portare a bit quantistici più robusti e far luce sul mistero del perché le sovrapposizioni quantistiche non sono osservate nel mondo macroscopico.

I ricercatori sono riusciti a creare un cosiddetto “stato di gatto” usando un cristallo oscillante, che rappresenta il gatto, con un circuito superconduttore che rappresenta l’atomo originale.

Quel circuito è essenzialmente un bit quantistico o qubit che può assumere gli stati logici “0” o “1” o una sovrapposizione di entrambi gli stati, “0 + 1”.

Il legame tra il qubit e il cristallo “gatto” non è un contatore Geiger più veleno, ma piuttosto uno strato di materiale piezoelettrico che crea un campo elettrico quando il cristallo cambia forma mentre oscilla.

Quel campo elettrico può essere accoppiato al campo elettrico del qubit, e quindi lo stato di sovrapposizione del qubit può essere trasferito al cristallo.

Di conseguenza, il cristallo può ora oscillare in due direzioni contemporaneamente: su / giù e giù / su, per esempio. Queste due direzioni rappresentano gli stati “vivi” o “morti” del gatto.

“Mettendo i due stati di oscillazione del cristallo in una sovrapposizione, abbiamo effettivamente creato un gatto Schrödinger del peso di 16 microgrammi”, spiega Chu.

Questa è all’incirca la massa di un granello di sabbia fine e neanche lontanamente vicina a quella di un gatto, ma ancora diversi miliardi di volte più pesante di un atomo o di una molecola, rendendolo il gatto quantistico più grasso fino ad oggi.

Oltre a questo interesse piuttosto accademico, ci sono anche potenziali applicazioni nelle tecnologie quantistiche.

Ad esempio, le informazioni quantistiche memorizzate nei qubit potrebbero essere rese più robuste utilizzando stati di gatto costituiti da un numero enorme di atomi in un cristallo piuttosto che fare affidamento su singoli atomi o ioni, come viene fatto attualmente.

Inoltre, l’estrema sensibilità di oggetti massicci in stati di sovrapposizione al rumore esterno potrebbe essere sfruttata per misurazioni precise di piccoli disturbi come le onde gravitazionali o per rilevare la materia oscura.