Un team internazionale di ricercatori ha proposto un nuovo modo per rendere indistinguibili atomi o ioni scambiando le loro posizioni. Queste particelle dovrebbero quindi esibire proprietà esotiche. Lo studio ha coinvolto fisici dell'Università di Bonn, l'Accademia austriaca delle scienze, e l'Università della California. Il lavoro è stato ora pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Immagina di giocare a "Trova la signora" – in effetti, una versione molto semplice:il croupier non è un truffatore incallito, ma piuttosto una donna completamente onesta. E sul tavolo davanti a lei ci sono solo due tazze, non tre. Questi sono fatti di plastica nera e si assomigliano così tanto che, per quanto ci provi, non riesci a distinguerli l'uno dall'altro.

Il croupier muove entrambe le tazze avanti e indietro. Le sue mosse sono molto veloci e abili. Tuttavia, con un po' di concentrazione, riesci a seguire le sue mosse. Alla fine, puoi indicare correttamente quale delle tazze era originariamente a sinistra e quale a destra.

Ma cosa accadrebbe se chiudi gli occhi quando le tazze vengono spostate? In questo caso, puoi solo indovinare. Dopotutto, a te, entrambe le tazze sembrano completamente identiche. Certo, non sono proprio così:la tazza 1 rimane la tazza 1, non importa quante volte cambia posto con la tazza 2.

Però, nel mondo delle cose più piccole, si possono fare esperimenti in cui la cosa dell'identità non è così chiara. Giocare a un gioco come "Trova la signora" nel mondo quantistico è stato proposto dai fisici dell'Istituto di fisica applicata (IAP) dell'Università di Bonn insieme ai loro colleghi austriaci e statunitensi.

In posti diversi contemporaneamente

Nel mondo quantistico, le coppe sono sostituite da due atomi che si trovano esattamente nello stesso stato atomico. "Tali atomi possono essere prodotti in laboratori specializzati con tecniche all'avanguardia, " spiega il prof. Dieter Meschede dell'IAP. "In realtà sono completamente uguali e differiscono solo per la posizione in cui si trovano".

Quando giochi a "Trova la signora" nel mondo degli atomi, hai un po' di libertà in più. Ad esempio, i ricercatori possono contare sul fenomeno quantomeccanico secondo il quale le particelle possono trovarsi in due luoghi diversi contemporaneamente. Usando abilmente questo fenomeno, l'atomo 1 e 2 possono, con una certa dose di fortuna, cambia posto senza che nessuno se ne accorga.

In altre parole:alla fine della manipolazione quantistica, l'osservatore non ha modo di dire - in linea di principio - se l'atomo 1 è effettivamente ancora l'atomo 1 o se è stato scambiato con l'atomo 2. Per le tazze standard, sarebbe ancora possibile distinguerli in modo affidabile usando le loro più piccole differenze come un'ammaccatura microscopicamente piccola. Questo non è il caso degli atomi preparati in modo identico; sono esattamente uguali. "Alla fine dell'esperimento, non è quindi più possibile – in qualsiasi forma – identificare quale dei due atomi è il numero 1 e quale è il numero 2, " spiega il dott. Andrea Alberti dello IAP.

Questo ha anche implicazioni filosofiche. Al filosofo tedesco Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) è attribuita l'affermazione che due oggetti sono identici quando non è possibile discernere differenze tra loro. Seguendo la logica di Leibniz, gli atomi commutati devono aver poi perso parte della loro individualità:sono due, eppure sono in qualche modo uno.

Sorprendentemente, entrambi sono anche 'collegati' tra loro dopo aver scambiato i posti:certe proprietà di entrambe le particelle come lo spin – la direzione di rotazione di un atomo – dipendono da entrambe le particelle. Se osservi l'orientamento di spin dell'atomo 1, allora conoscerete immediatamente l'orientamento di spin dell'atomo 2 – anche senza osservarlo direttamente. "È come se lanciassi due monete indipendentemente l'una dall'altra, " spiega Andrea Alberti. "Se una moneta mostra testa, allora questo deve valere anche per l'altro." I fisici parlano di "entanglement".

I ricercatori IAP stanno attualmente lavorando per mettere in pratica la loro proposta teorica. L'esperimento può essere eseguito anche in una forma modificata con altre particelle come gli ioni, un percorso che vogliono intraprendere i colleghi dell'Istituto per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica di Innsbruck dell'Accademia austriaca delle scienze. "Ci aspettiamo da questi studi, in cui controlliamo con alta precisione esattamente due particelle quantistiche, nuove scoperte sul principio di scambio meccanico quantistico fondamentale, " spera Alberti.