I fisici hanno creato un esercito volante di gatti di Schrödinger laser

Un impulso laser rimbalzò su un atomo di rubidio ed entrò nel mondo quantistico, assumendo la strana fisica del "gatto di Schrödinger". Poi un altro ha fatto la stessa cosa. Poi un altro.

Gli impulsi laser non facevano crescere baffi o zampe. Ma sono diventati come il famoso esperimento mentale di fisica quantistica del gatto di Schrödinger in un modo importante: erano oggetti di grandi dimensioni che agivano come le creature morte e vive simultaneamente della fisica subatomica - esistenti in un limbo tra due stati simultanei e contraddittori. E il laboratorio in Finlandia dove sono nati non aveva limiti al numero di persone che potevano produrne. Impulso dopo impulso si trasformò in una creatura del mondo quantistico. E quei "gatti quantistici", sebbene esistessero solo per una frazione di secondo all'interno della macchina sperimentale, avevano il potenziale per essere immortali.

"Nel nostro esperimento, il [gatto laser] è stato inviato immediatamente al rilevatore, quindi è stato distrutto subito dopo la sua creazione", ha detto Bastian Hacker, ricercatore presso l'Istituto Max Planck di ottica quantistica in Germania, che ha lavorato all'esperimento. [Fatto o finzione scientifica? La plausibilità di 10 concetti di fantascienza]

Ma non doveva essere così, ha detto Hacker .

"Uno stato ottico può vivere per sempre. Quindi, se avessimo inviato l'impulso nel cielo notturno, potrebbe vivere per miliardi di anni nel suo stato [simile a un gatto]".

Quella longevità fa parte di ciò che rende questi legumi così utili, ha aggiunto. Un gatto laser longevo può sopravvivere a viaggi a lungo termine attraverso una fibra ottica, rendendolo una buona unità di informazione per una rete di computer quantistici.

Gatto quantico, vivo e morto

Allora cosa significa fare un impulso laser come il gatto di Schrödinger? Prima di tutto, il gatto non era un animale domestico. Era un esperimento mentale che il fisico Erwin Schrödinger propose nel 1935 per sottolineare l'assoluta irragionevolezza della fisica quantistica che lui ei suoi colleghi stavano solo scoprendo. [Come funziona Quantum Entanglement (Infografica)]

Ecco come va: la fisica quantistica impone che, in particolari condizioni, una particella possa avere due tratti contraddittori allo stesso tempo. Lo spin di una particella (una misurazione quantistica che non assomiglia affatto allo spin che vediamo su scala macro) potrebbe essere "su" mentre è anche "giù". Solo quando viene misurato il suo spin la particella collassa in un modo o nell'altro.

I fisici hanno diverse interpretazioni di questo comportamento, ma la più popolare (chiamata interpretazione di Copenaghen) afferma che la particella non è realmente ruotata o ridotta prima di essere osservata. Fino ad allora, è in una sorta di nebbioso inferno tra gli stati e decide sull'uno o sull'altro solo se costretto da un osservatore esterno.

Schrödinger ha notato che ciò aveva alcune bizzarre implicazioni.

Immaginò una scatola di acciaio opaco, contenente un gatto, un atomo e una fiala di vetro sigillata di gas velenoso. Se l'atomo fosse decaduto (una possibilità, ma non una cosa sicura, grazie alla meccanica quantistica), un meccanismo nella scatola frantumerebbe il vetro, uccidendo il gatto. Se l'atomo non si decomporrà, il gatto vivrebbe. Lascia il gatto nella scatola per un'ora, disse Schrödinger, e il gatto finirebbe in una "sovrapposizione" tra la vita e la morte.

Il problema con questo, stava sottintendendo, è che non ha alcun senso.

Eppure, il gatto di Schrödinger è diventato una specie di scorciatoia utile per cose su scala macro che obbediscono alle leggi della fisica classica, ma interagiscono con oggetti quantistici in modo tale che non abbiano né interamente un tratto né completamente un altro.

Nel nuovo esperimento, descritto in un documento pubblicato il 14 gennaio sulla rivista Nature Photonics, i ricercatori hanno creato impulsi laser che sono in sovrapposizione tra due possibili stati quantistici. Hanno chiamato i piccoli impulsi "stati di gatto ottici volanti".

Per realizzarli, hanno prima confinato l'atomo di rubidio in una cavità tra due specchi di soli 0,02 pollici (0,5 millimetri) di larghezza (circa la larghezza di un granello di sale). L'atomo può trovarsi in uno di tre stati: due stati "fondamentali" o uno stato "eccitato". Quando la luce è entrata nella cavità, è rimasta impigliata con l'atomo, il che significa che il suo stato era fondamentalmente legato allo stato dell'atomo.

Quindi, quando l'impulso luminoso ha colpito un rilevatore di luce, ha mostrato segni rivelatori di interferenza, né si comportava completamente come se fosse impigliato con un tipo di atomo o con un altro. Era un gatto volante fatto di luce.

Quella distanza aveva a che fare con la posizione delle onde luminose, ha detto Hacker. Dopo aver distolto lo sguardo dall'atomo, la luce ha continuato a muoversi nello spazio come un'onda: collina e valle, collina e valle.

Ma è diventato incerto se in un dato momento l'onda della luce stava raggiungendo la cima di una collina o scendendo in una valle, ha detto Hacker .

La luce si comportava come se avesse almeno due onde diverse che la componevano, ciascuna un'immagine speculare dell'altra.

(In realtà, la luce potrebbe avere ancora più forme possibili: la sua onda aveva sempre almeno qualche possibilità di occupare ogni punto tra la cima di una "collina" e il fondo di una "valle". Ma due onde speculari rappresentavano il due stati molto probabilmente incerti.)

I ricercatori hanno affermato che lungo la strada, questa capacità di inviare gatti in movimento da un posto all'altro potrebbe essere utile per il networking quantistico. Questo perché la rete quantistica si baserà probabilmente sull'invio di luce avanti e indietro tra i computer quantistici, ha detto Hacker, piuttosto che sull'elettricità.

"La cosa più semplice da inviare sarebbero i singoli fotoni, ma quando si perdono [cosa che accade spesso], le loro informazioni trasportate scompaiono", ha detto. "Gli stati Cat possono codificare le informazioni quantistiche in un modo che ci permette di rilevare la perdita ottica e correggerla. Sebbene ogni trasmissione ottica abbia delle perdite, le informazioni possono essere trasmesse perfettamente".

Detto questo, c'è ancora del lavoro da fare. Mentre i ricercatori sono stati in grado di creare i gatti "in modo deterministico", il che significa che un gatto emergeva ogni volta che eseguivano il loro esperimento, i gatti non sono sempre sopravvissuti al breve viaggio verso il ricevitore della luce. L'ottica è complicata e talvolta la luce si spegne prima di arrivarci.

Inoltre, una persona ragionevole potrebbe chiedersi se questi impulsi luminosi contano davvero come i gatti di Schrödinger. Sono certamente oggetti classici - nel senso che seguono le leggi deterministiche di oggetti su larga scala - ma i ricercatori hanno riconosciuto nel documento che su una scala di soli quattro fotoni, il laser era al limite della scala macroscopica e quantistica; e quindi si potrebbe dire che sono macroscopici solo sotto la più ampia delle definizioni.

"In effetti, [pochi] fotoni non sono nulla di simile a un oggetto macroscopico del mondo reale", ha detto Hacker. "Il punto di impulsi ottici coerenti come quelli che abbiamo usato è che l'ampiezza può essere scalata continuamente senza alcun limite fondamentale."

In altre parole, certo, questi sono dei minuscoli gatti. Ma non c'è motivo per cui la stessa idea di base non possa essere utilizzata per realizzare alcuni felini Schrödinger giganti.

Ma alla fine i ricercatori erano fiduciosi nell'usare il termine e "stato di gatto volante ottico" ha un anello.

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