Gatti quantistici grassi

Non è necessario essere un fisico quantistico per aver sentito parlare del famoso gatto di Schrödinger. Erwin Schrödinger inventò il gatto, che può essere vivo e morto allo stesso tempo, in un esperimento di pensiero nel 1935. L'ovvia contraddizione - dopo tutto, nella vita quotidiana vediamo solo gatti vivi o morti - non è un problema. o sono morti - ha spinto gli scienziati a cercare di ricreare situazioni analoghe in laboratorio. Finora sono riusciti a farlo con atomi o molecole in stati di sovrapposizione quantistica, per esempio, in cui le particelle si trovano in due luoghi allo stesso tempo.

All'ETH, un team di ricerca guidato da Yiwen Chu, professoressa presso il Laboratorio di Fisica dello Stato Solido, ha ora posto un piccolo cristallo in una sovrapposizione di due stati vibrazionali, producendo così un gatto di Schrödinger significativamente più pesante. I risultati del team, pubblicati questa settimana sulla rivista Science, potrebbero portare a bit quantistici più robusti e far luce sul mistero del perché le superposizioni quantistiche non vengono osservate nel mondo macroscopico.

Gatto nella scatola

Nell'esperimento originale di Schrödinger, un gatto viene chiuso in una scatola di metallo insieme a una sostanza radioattiva, un contatore Geiger e una fiala di veleno. Entro un certo periodo di tempo - ad esempio un'ora - un atomo della sostanza può decadere o meno in seguito a un processo meccanico quantistico. I prodotti del decadimento farebbero scattare il contatore Geiger e distruggerebbero la fiala di veleno attraverso un meccanismo, uccidendo infine il gatto. Poiché un osservatore esterno non può sapere se l'atomo è effettivamente decaduto, non sa nemmeno se il gatto è vivo o morto: secondo la meccanica quantistica, che determina il decadimento dell'atomo, dovrebbe trovarsi in uno stato di sovrapposizione vivo/morto. (Una statua di gatto a grandezza naturale davanti alla casa di Schrödinger in Huttenstrasse 9 a Zurigo ricorda questa idea).

"Naturalmente non possiamo realizzare un esperimento del genere in laboratorio con un gatto vero che pesa diversi chilogrammi", spiega Chu. Invece, lei e i suoi collaboratori sono riusciti a creare un cosiddetto stato gatto con un cristallo vibrante che rappresenta il gatto e un circuito superconduttore che assume il ruolo dell'atomo originale. Il circuito è essenzialmente un bit quantistico o qubit che può assumere gli stati logici "0" o "1" o una sovrapposizione, "0+1", di entrambi gli stati. Il collegamento tra il qubit e il cristallo "gatto" non è un contatore Geiger e un veleno, ma uno strato di materiale piezoelettrico che genera un campo elettrico quando il cristallo cambia forma durante le oscillazioni. Questo campo elettrico può essere accoppiato al campo elettrico del qubit, consentendo di trasferire lo stato di sovrapposizione del qubit al cristallo.

Oscillazioni simultanee in direzioni opposte

Di conseguenza, il cristallo può ora vibrare in due direzioni simultaneamente, ad esempio su/giù e giù/su. Queste due direzioni rappresentano gli stati "vivi" o "morti" del gatto. "Sovrapponendo i due stati vibrazionali del cristallo, abbiamo creato un gatto di Schrödinger che pesa 16 microgrammi", spiega Chu. Si tratta all'incirca della massa di un granello di sabbia, ben lontana da quella di un gatto, ma comunque di diversi miliardi di volte più pesante di un atomo o di una molecola, il che lo rende il gatto quantistico più grasso mai realizzato.

Affinché gli stati vibrazionali possano essere considerati veri e propri stati gatto, è importante che siano macroscopicamente distinguibili. Ciò significa che la distanza tra gli stati "up" e "down" deve essere maggiore delle fluttuazioni termiche o quantomeccaniche nelle posizioni degli atomi nel cristallo. Chu e i suoi colleghi hanno verificato questa ipotesi misurando la distanza spaziale tra i due stati utilizzando il qubit. Sebbene la distanza misurata fosse solo un miliardesimo di miliardesimo di metro e quindi più piccola di un atomo, era comunque sufficiente per distinguere chiaramente gli stati l'uno dall'altro.

Misurare piccoli disturbi con gli stati gatto

In futuro, Chu vuole spingere il limite di massa dei suoi gatti di cristallo ancora più in alto. "Questo è interessante perché ci permette di capire meglio le ragioni della scomparsa degli effetti quantistici nel mondo macroscopico dei gatti reali", dice Chu. Chi siamo, però, ha un interesse accademico, ma ci sono anche potenziali applicazioni nelle tecnologie quantistiche. Ad esempio, le informazioni quantistiche memorizzate nei qubit potrebbero essere rese più robuste utilizzando stati gatto costituiti da un numero enorme di atomi in un cristallo, invece dei singoli atomi o ioni utilizzati finora. Inoltre, l'estrema sensibilità degli oggetti pesanti in stati di sovrapposizione alle influenze esterne potrebbe essere sfruttata per misurazioni più precise di piccole perturbazioni, come le onde gravitazionali, o per il rilevamento della materia oscura.