Il risultato dell'esperimento può essere riassunto in una GIF animata che mostra cosa succede allo stato quantico dello ione durante quel milionesimo di secondo. Lo stato può essere visualizzato utilizzando una scheda tridimensionale. Le altezze delle barre indicano il grado di sovrapposizione dei possibili stati quantistici. Il film mostra come durante la misurazione alcune delle sovrapposizioni si perdano – e come questa perdita sia graduale – mentre altre si conservano come dovrebbero essere in una misurazione quantistica ideale. Credito:F. Pokorny et al., "Tracciare la dinamica di una misura quantistica ideale, " Lettere di revisione fisica 2020
La misurazione di un sistema quantistico ne provoca il cambiamento, uno degli aspetti strani ma fondamentali della meccanica quantistica. I ricercatori dell'Università di Stoccolma sono ora in grado di dimostrare come avviene questo cambiamento. I risultati sono pubblicati sulla rivista scientifica Lettere di revisione fisica .
La fisica quantistica descrive il mondo interno dei singoli atomi, un mondo molto diverso dalla nostra esperienza quotidiana. Uno dei tanti aspetti strani ma fondamentali della meccanica quantistica è il ruolo dell'osservatore:misurare lo stato di un sistema quantistico lo fa cambiare. Nonostante l'importanza del processo di misurazione all'interno della teoria, contiene ancora domande senza risposta:uno stato quantico collassa istantaneamente durante una misurazione? Altrimenti, quanto tempo impiega il processo di misurazione e qual è lo stato quantistico del sistema in ogni fase intermedia?
Una collaborazione di ricercatori svedesi, La Germania e la Spagna hanno risposto a queste domande utilizzando un singolo atomo, uno ione di stronzio intrappolato in un campo elettrico. La misurazione sullo ione dura solo un milionesimo di secondo. Producendo un "film" costituito da immagini scattate in momenti diversi della misurazione hanno mostrato che il cambiamento di stato avviene gradualmente sotto l'influenza della misurazione.
Gli atomi seguono le leggi della meccanica quantistica che spesso contraddicono le nostre normali aspettative. Lo stato quantistico interno di un atomo è formato dallo stato degli elettroni che girano intorno al nucleo atomico. L'elettrone può girare intorno al nucleo in un'orbita vicina o più lontana. Meccanica quantistica, però, permette anche i cosiddetti stati di sovrapposizione, dove l'elettrone occupa entrambe le orbite contemporaneamente, ma ogni orbita solo con qualche probabilità.
"Ogni volta che misuriamo l'orbita dell'elettrone, la risposta della misurazione sarà che l'elettrone si trovava in un'orbita inferiore o superiore, mai qualcosa in mezzo. Questo è vero anche quando lo stato quantico iniziale era una sovrapposizione di entrambe le possibilità. La misura in un certo senso costringe l'elettrone a decidere in quale dei due stati si trova, "dice Fabian Pokorny, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica, Università di Stoccolma.
Il "film" mostra l'evoluzione durante il processo di misurazione. Le singole immagini mostrano dati di tomografia dove l'altezza delle barre rivela il grado di sovrapposizione che è ancora conservato. Durante la misurazione alcune delle sovrapposizioni vengono perse - e questa perdita avviene gradualmente - mentre altre vengono conservate come dovrebbero essere per una misurazione quantistica ideale.
"Questi risultati gettano nuova luce sul funzionamento interno della natura e sono coerenti con le previsioni della moderna fisica quantistica, "dice Markus Hennrich, capogruppo della squadra a Stoccolma.
Questi risultati sono importanti anche al di là della teoria quantistica fondamentale. La misurazione quantistica è una parte essenziale dei computer quantistici. Il gruppo dell'Università di Stoccolma sta lavorando su computer basati su ioni intrappolati, dove le misurazioni vengono utilizzate per leggere il risultato alla fine di un calcolo quantistico.
