I ricercatori di Yale hanno scoperto come catturare e salvare il famoso gatto di Schrödinger, il simbolo della sovrapposizione quantistica e dell'imprevedibilità, anticipandone i salti e agendo in tempo reale per salvarlo dalla proverbiale sventura. Nel processo, ribaltano anni di dogma cardine della fisica quantistica.

La scoperta consente ai ricercatori di creare un sistema di allerta precoce per imminenti salti di atomi artificiali contenenti informazioni quantistiche. Uno studio che annuncia la scoperta appare nell'edizione online della rivista del 3 giugno Natura .

Il gatto di Schrödinger è un noto paradosso utilizzato per illustrare il concetto di sovrapposizione - la capacità di due stati opposti di esistere contemporaneamente - e l'imprevedibilità nella fisica quantistica. L'idea è che un gatto venga messo in una scatola sigillata con una fonte radioattiva e un veleno che verrà attivato se un atomo della sostanza radioattiva decade. La teoria della sovrapposizione della fisica quantistica suggerisce che finché qualcuno non apre la scatola, il gatto è vivo e morto, una sovrapposizione di stati. Aprire la scatola per osservare il gatto fa sì che cambi bruscamente il suo stato quantico in modo casuale, costringendolo a essere vivo o morto.

Il salto quantico è il cambiamento discreto (non continuo) e casuale nello stato quando viene osservato.

L'esperimento, eseguita nel laboratorio del professore di Yale Michel Devoret e proposta dall'autore principale Zlatko Minev, esamina per la prima volta il funzionamento effettivo di un salto quantico. I risultati rivelano una scoperta sorprendente che contraddice la visione consolidata del fisico danese Niels Bohr:i salti non sono né bruschi né casuali come si pensava in precedenza.

Per un oggetto minuscolo come un elettrone, molecola, o un atomo artificiale contenente informazioni quantistiche (noto come qubit), un salto quantico è la transizione improvvisa da uno dei suoi stati energetici discreti a un altro. Nello sviluppo di computer quantistici, i ricercatori devono affrontare in modo cruciale i salti dei qubit, che sono le manifestazioni di errori nei calcoli.

Gli enigmatici salti quantistici furono teorizzati da Bohr un secolo fa, ma non osservato fino agli anni '80, negli atomi.

"Questi salti si verificano ogni volta che misuriamo un qubit, " disse Devoret, il F.W. Beinecke Professor di Fisica Applicata e Fisica a Yale e membro dello Yale Quantum Institute. "Si sa che i salti quantici sono imprevedibili a lungo termine".

"Nonostante che, " ha aggiunto Minev, "Volevamo sapere se sarebbe stato possibile ottenere un segnale di avvertimento in anticipo che un salto sta per verificarsi imminente".

Minev ha osservato che l'esperimento è stato ispirato da una previsione teorica del professor Howard Carmichael dell'Università di Auckland, un pioniere della teoria della traiettoria quantistica e coautore dello studio.

Oltre al suo impatto fondamentale, la scoperta è un potenziale importante progresso nella comprensione e nel controllo delle informazioni quantistiche. I ricercatori affermano che la gestione affidabile dei dati quantistici e la correzione degli errori non appena si verificano è una sfida chiave nello sviluppo di computer quantistici pienamente utili.

Il team di Yale ha utilizzato un approccio speciale per monitorare indirettamente un atomo artificiale superconduttore, con tre generatori di microonde che irradiano l'atomo racchiuso in una cavità 3-D in alluminio. Il metodo di monitoraggio doppiamente indiretto, sviluppato da Minev per circuiti superconduttori, permette ai ricercatori di osservare l'atomo con un'efficienza senza precedenti.

La radiazione a microonde agita l'atomo artificiale mentre viene osservato simultaneamente, con conseguente salti quantici. Il minuscolo segnale quantico di questi salti può essere amplificato senza perdite a temperatura ambiente. Qui, il loro segnale può essere monitorato in tempo reale. Ciò ha permesso ai ricercatori di vedere un'improvvisa assenza di fotoni di rilevamento (fotoni emessi da uno stato ausiliario dell'atomo eccitato dalle microonde); questa minuscola assenza è l'anticipo di un salto quantico.

"Il bellissimo effetto mostrato da questo esperimento è l'aumento della coerenza durante il salto, nonostante la sua osservazione, " disse Devoret. Aggiunse Minev, "Puoi sfruttare questo non solo per prendere il salto, ma anche invertire".

Questo è un punto cruciale, hanno detto i ricercatori. Mentre i salti quantistici appaiono discreti e casuali a lungo termine, invertire un salto quantico significa che l'evoluzione dello stato quantistico possiede, in parte, un carattere deterministico e non casuale; il salto avviene sempre nello stesso, modo prevedibile dal suo punto di partenza casuale.

"I salti quantistici di un atomo sono in qualche modo analoghi all'eruzione di un vulcano, " Minev ha detto. "Sono completamente imprevedibili a lungo termine. Ciò nonostante, con il corretto monitoraggio possiamo con certezza rilevare un preavviso di un disastro imminente e agire su di esso prima che si verifichi.