La nostra comprensione del mondo si basa principalmente su percezioni di base, come che gli eventi si susseguono in un ordine ben definito. Tali ordini definiti sono richiesti nel mondo macroscopico, per cui valgono le leggi della fisica classica. L'attuale lavoro di un team di fisici dell'Università di Vienna è la prima quantificazione sperimentale di tale sovrapposizione. Sarà pubblicato in un prossimo numero di Progressi scientifici .

Quando si descrive la natura usando leggi fisiche, gli scienziati spesso partono da esperienze quotidiane. Però, la nostra solita intuizione non si applica al mondo quantistico. I fisici si sono recentemente resi conto che la teoria quantistica ci costringe persino a mettere in discussione concetti innati, come l'ordine in cui accadono le cose. Immaginare, Per esempio, una gara tra due amici, Alice e Bob. Nella vita di tutti i giorni, il vincitore è il primo a tagliare il traguardo. Così, il buon senso dice che o vince Alice, Bob vince, oppure si legano. Questo ragionamento, però, non è sempre applicabile nel mondo quantistico. Infatti, la meccanica quantistica consente a ogni corridore di vincere e perdere in una gara:Alice potrebbe raggiungere il traguardo sia prima che dopo Bob in sovrapposizione quantistica. Però, anche se avessimo tenuto una tale corsa quantistica, come possiamo verificare che entrambi i corridori abbiano vinto in sovrapposizione? Parte del problema è che la meccanica quantistica dice che quando osserviamo la razza "collassa". Questo significa che vediamo solo Alice vincere o perdere la gara:non possiamo vedere la sovrapposizione.

Assistere a ordini di operazioni confusi

Un gruppo di fisici guidati da Philip Walther dell'Università di Vienna ha implementato una nuova misurazione, chiamato "testimone causale", che permette loro di vedere Alice vincere e perdere allo stesso tempo. Questa entusiasmante tecnica di misurazione è stata progettata dal gruppo teorico di Caslav Brukner presso l'Accademia austriaca delle scienze. formalmente, un testimone causale è uno strumento matematico per determinare se è possibile descrivere un esperimento senza dover ricorrere a ordini sovrapposti. Utilizzando questo nuovo strumento, i fisici potevano fare di più che semplicemente vedere Alice vincere e perdere in sovrapposizione:erano in grado di quantificare il grado in cui le due situazioni effettivamente erano sovrapposte.

Piuttosto che tenere una corsa quantistica microscopica, gli scienziati hanno sovrapposto l'ordine in cui due operazioni quantistiche hanno agito sulle particelle di luce. Nel loro esperimento, i fisici hanno posto i fotoni - particelle di luce - in una sovrapposizione di due percorsi diversi. Ciascun percorso è stato quindi instradato in ordini diversi attraverso due diverse operazioni quantistiche. Sebbene in passato il team avesse creato una tale sovrapposizione di ordini di operazioni quantistiche, in precedenza potevano solo verificare indirettamente la sovrapposizione.

Per attuare la testimonianza causale, i fisici avevano bisogno di ideare uno schema che permettesse loro di estrarre informazioni dall'interno di un processo quantistico altamente fragile senza distruggerlo. Fare così, hanno usato un altro sistema quantistico essenzialmente per alzare una bandiera quando il fotone passava da una delle operazioni quantistiche. Anche se questo avrebbe potuto ancora far crollare il sistema, i fisici hanno trovato un nuovo trucco per misurare il sistema quantistico aggiuntivo mantenendo intatta la sovrapposizione. La loro nuova tecnica ha permesso loro di estrarre solo informazioni sulla sovrapposizione complessiva, e non sull'ordine delle operazioni. Da quei risultati di misurazione hanno confermato che i fotoni erano realmente passati attraverso entrambe le operazioni quantistiche in due ordini contemporaneamente.

Implicazioni future

Il fatto che l'ordine delle operazioni quantistiche possa essere messo in sovrapposizione quantistica apre un nuovo terreno di gioco per gli studi sulla meccanica quantistica. Sul versante teorico, questo è già indicato da un gran numero di studi e proposte sul ruolo delle "relazioni causali" all'interno della meccanica quantistica. Però, tradurre queste proposte in esperimenti di laboratorio è impegnativo. "La nostra dimostrazione sperimentale è un significativo passo avanti in questo settore, poiché dimostra come estrarre informazioni all'interno di questi processi senza disturbare la loro natura quantistica", dice Giulia Rubino, autore principale dello studio.

Il prossimo obiettivo del gruppo è sfruttare i nuovi progressi tecnologici per creare sovrapposizioni di processi più complessi. Ciò consentirà loro di acquisire conoscenze più approfondite sull'interazione tra relazioni causali e meccanica quantistica. Per di più, presenta un nuovo percorso interessante per ottimizzare le attività anche oltre ciò che è possibile utilizzando computer quantistici standard con un ordine fisso di operazioni.