Morto e vivo:il gatto di Schrödinger è impigliato in un atomo. Se l'atomo è eccitato, il gatto è vivo. Se è decaduto, il gatto è morto. Nell'esperimento, un impulso luminoso rappresenta i due stati (picchi) e può essere in una sovrapposizione di entrambi, proprio come il gatto. Credito:Christoph Hohmann, Iniziativa sui nanosistemi Monaco di Baviera (NIM)
Un vecchio esperimento mentale appare ora sotto una nuova luce. Nel 1935 Erwin Schrödinger formulò un esperimento mentale progettato per catturare la natura paradossale della fisica quantistica. Un gruppo di ricercatori guidati da Gerhard Rempe, Direttore del Dipartimento di Dinamica Quantistica presso il Max Planck Institute of Quantum Optics, ha ora realizzato in laboratorio una versione ottica dell'esperimento mentale di Schrödinger. In questo caso, gli impulsi di luce laser svolgono il ruolo del gatto. Le intuizioni acquisite dal progetto aprono nuove prospettive per un migliore controllo degli stati ottici, che in futuro potranno essere utilizzati per le comunicazioni quantistiche.
"Secondo l'idea di Schrödinger, è possibile per una particella microscopica, come un singolo atomo, esistere in due stati diversi contemporaneamente. Questa si chiama sovrapposizione. Inoltre, quando una tale particella interagisce con un oggetto macroscopico, possono "impigliarsi", e l'oggetto macroscopico può finire in uno stato di sovrapposizione. Schrödinger ha proposto l'esempio di un gatto, che può essere sia morto che vivo, a seconda che un atomo radioattivo sia decaduto o meno - una nozione che è in evidente conflitto con la nostra esperienza quotidiana, " spiega il professor Rempe.
Per realizzare questo esperimento filosofico gedanken in laboratorio, i fisici si sono rivolti a vari sistemi modello. Quello implementato in questo caso segue uno schema proposto dai teorici Wang e Duan nel 2005. Qui, la sovrapposizione di due stati di un impulso ottico funge da cat. Le tecniche sperimentali necessarie per implementare questa proposta – in particolare un risonatore ottico – sono state sviluppate nel gruppo di Rempe negli ultimi anni.
Un test per l'ambito della meccanica quantistica
I ricercatori coinvolti nel progetto erano inizialmente scettici sul fatto che sarebbe stato possibile generare e rilevare in modo affidabile tali stati di gatto intrecciati meccanicamente quantisticamente con la tecnologia disponibile. La difficoltà maggiore risiedeva nella necessità di ridurre al minimo le perdite ottiche nel loro esperimento. Una volta raggiunto questo, tutte le misurazioni sono state trovate per confermare la previsione di Schrödinger. L'esperimento consente agli scienziati di esplorare l'ambito di applicazione della meccanica quantistica e di sviluppare nuove tecniche per la comunicazione quantistica.
Il laboratorio del Max Planck Institute di Garching è dotato di tutti gli strumenti necessari per eseguire esperimenti di ottica quantistica all'avanguardia. Una camera a vuoto e laser ad alta precisione vengono utilizzati per isolare un singolo atomo e manipolarne lo stato. Al centro della configurazione c'è un risonatore ottico, costituito da due specchi separati da una fessura larga solo 0,5 mm, dove un atomo può essere intrappolato. Un impulso laser viene inviato al risonatore e riflesso, e quindi interagisce con l'atomo. Di conseguenza, la luce riflessa si impiglia nell'atomo. Effettuando un'opportuna misura sull'atomo, l'impulso ottico può essere preparato in uno stato di sovrapposizione, proprio come quello del gatto di Schrödinger. Una caratteristica speciale dell'esperimento è che gli stati entangled possono essere generati in modo deterministico. In altre parole, uno stato di gatto viene prodotto in ogni prova.
"Siamo riusciti a generare stati di gatto ottico volante, e hanno dimostrato che si comportano in accordo con le previsioni della meccanica quantistica. Questi risultati dimostrano che il nostro metodo per creare gli stati del gatto funziona, e ci ha permesso di esplorare i parametri essenziali, " dice il dottorando Stephan Welte.
Un intero zoo di stati per la futura comunicazione quantistica
"Nella nostra configurazione sperimentale, siamo riusciti non solo a creare uno specifico stato felino, ma arbitrariamente molti di questi stati con diverse fasi di sovrapposizione:un intero zoo, per così dire. Questa capacità potrebbe essere utilizzata in futuro per codificare informazioni quantistiche, " aggiunge Bastian Hacker.
"Il gatto di Schrödinger era originariamente racchiuso in una scatola per evitare qualsiasi interazione con l'ambiente. I nostri stati di gatto ottico non sono racchiusi in una scatola. Si propagano liberamente nello spazio. Eppure rimangono isolati dall'ambiente e mantengono le loro proprietà su lunghe distanze. In il futuro potremmo usare questa tecnologia per costruire reti quantistiche, in cui gli stati di gatto ottico volante trasmettono informazioni, " dice Gerhard Rempe. Questo sottolinea il significato dell'ultimo successo del suo gruppo.
