Una caratteristica particolarmente controintuitiva della meccanica quantistica è che un singolo evento può esistere in uno stato di sovrapposizione, accadendo sia qui che là, o sia oggi che domani.

Tali sovrapposizioni sono difficili da creare, in quanto vengono distrutti se qualsiasi tipo di informazione sul luogo e l'ora dell'evento fuoriesce nell'ambiente circostante, e anche se nessuno registra effettivamente queste informazioni. Ma quando si verificano sovrapposizioni, portano a osservazioni molto diverse da quelle della fisica classica, sollevando domande che si riversano nella nostra stessa comprensione dello spazio e del tempo.

Scienziati dell'EPFL, MIT, e CEA Saclay, pubblicazione in Progressi scientifici , dimostrare uno stato di vibrazione che esiste simultaneamente in due momenti diversi, e fornire prove di questa sovrapposizione quantistica misurando la classe più forte di correlazioni quantistiche tra i fasci di luce che interagiscono con la vibrazione.

I ricercatori hanno utilizzato un impulso laser molto breve per attivare uno specifico modello di vibrazione all'interno di un cristallo di diamante. Ogni coppia di atomi vicini oscillava come due masse legate da una molla, e questa oscillazione era sincrona su tutta la regione illuminata. Per risparmiare energia durante questo processo, viene emessa una luce di un nuovo colore, spostato verso il rosso dello spettro.

Questa immagine classica, però, non è coerente con gli esperimenti. Anziché, sia la luce che la vibrazione dovrebbero essere descritte come particelle, o quanti:l'energia luminosa è quantizzata in fotoni discreti mentre l'energia vibrazionale è quantizzata in fononi discreti (dal greco antico "foto =luce" e "fono =suono").

Il processo sopra descritto dovrebbe quindi essere visto come la fissione di un fotone in arrivo dal laser in una coppia di fotone e fonone, simile alla fissione nucleare di un atomo in due pezzi più piccoli.

Ma non è l'unico difetto della fisica classica. Nella meccanica quantistica, le particelle possono esistere in uno stato di sovrapposizione, come il famoso gatto Schrödinger che è vivo e morto allo stesso tempo.

Ancora più controintuitivo:due particelle possono rimanere impigliate, perdere la propria individualità. Le uniche informazioni che possono essere raccolte su di loro riguardano le loro correlazioni comuni. Poiché entrambe le particelle sono descritte da uno stato comune (la funzione d'onda), queste correlazioni sono più forti di quanto è possibile nella fisica classica. Può essere dimostrato eseguendo misurazioni appropriate sulle due particelle. Se i risultati violano un limite classico, si può essere sicuri che fossero impigliati.

Nel nuovo studio, I ricercatori dell'EPFL sono riusciti a intrappolare il fotone e il fonone (cioè, luce e vibrazione) prodotta nella fissione di un fotone laser in arrivo all'interno del cristallo. Fare così, gli scienziati hanno progettato un esperimento in cui la coppia fotone-fonone potrebbe essere creata in due diversi istanti. Classicamente, risulterebbe in una situazione in cui la coppia viene creata al tempo t1 con una probabilità del 50%, o in un secondo momento t2 con il 50% di probabilità.

Ma ecco che arriva il "trucco" giocato dai ricercatori per generare uno stato entangled. Con una precisa disposizione dell'esperimento, hanno assicurato che nemmeno la più debole traccia del tempo di creazione della coppia luce-vibrazione (t1 vs. t2) fosse rimasta nell'universo. In altre parole, hanno cancellato le informazioni su t1 e t2. La meccanica quantistica prevede quindi che la coppia fotone-fonone diventi entangled, ed esiste in una sovrapposizione di tempo t1 e t2. Questa previsione è stata splendidamente confermata dalle misurazioni, che ha prodotto risultati incompatibili con la teoria probabilistica classica.

Mostrando l'intreccio tra luce e vibrazione in un cristallo che si potrebbe tenere tra le dita durante l'esperimento, il nuovo studio crea un ponte tra la nostra esperienza quotidiana e l'affascinante regno della meccanica quantistica.

"Le tecnologie quantistiche sono annunciate come la prossima rivoluzione tecnologica nell'informatica, comunicazione, rilevamento, dice Christophe Galland, capo del Laboratorio di Quantum and Nano-Optics presso l'EPFL e uno dei principali autori dello studio. "Sono attualmente in fase di sviluppo dalle migliori università e grandi aziende di tutto il mondo, ma la sfida è ardua. Tali tecnologie si basano su effetti quantistici molto fragili che sopravvivono solo a temperature estremamente fredde o sotto vuoto spinto. Il nostro studio dimostra che anche un materiale comune in condizioni ambientali può sostenere le delicate proprietà quantistiche richieste per le tecnologie quantistiche. C'è un prezzo da pagare, però:le correlazioni quantistiche sostenute dalle vibrazioni atomiche nel cristallo si perdono dopo solo 4 picosecondi, cioè, 0,000000000004 di secondo! Questa breve scala temporale è, però, anche un'opportunità per lo sviluppo di tecnologie quantistiche ultraveloci. Ma c'è ancora molta ricerca da fare per trasformare il nostro esperimento in un dispositivo utile, un lavoro per i futuri ingegneri quantistici".