Nel mondo della fisica quantistica, un gruppo di ricerca ha recentemente raggiunto un risultato eccezionale: mantenere un sistema quantistico in uno stato di sovrapposizione per ben 23 minuti. Questo traguardo, che a prima vista potrebbe sembrare un dettaglio tecnico, ha delle conseguenze enormi per la scienza e per la tecnologia, aprendo così nuove possibilità per la computazione quantistica, la crittografia e la misurazione di precisione.
Ma cosa significa esattamente mantenere uno stato di sovrapposizione per così tanto tempo? E quali prospettive si schiudono grazie a questa scoperta?
Per comprendere meglio, è necessario partire dal paradosso che dà il nome a questa impresa: il famoso “gatto di Schrödinger”.
Il paradosso del gatto di Schrödinger e la sovrapposizione di stati
Erwin Schrödinger, fisico e premio Nobel, introdusse il concetto del “gatto di Schrödinger” nel 1935 per illustrare le particolarità e i limiti della meccanica quantistica. Il fisico immaginò un esperimento mentale in cui un gatto veniva chiuso in una scatola insieme a un dispositivo legato al decadimento di un atomo radioattivo. Se l’atomo decade, il dispositivo rilascia un gas velenoso, uccidendo il gatto. Al contrario, se l’atomo non decade, il gatto rimane vivo.
Secondo la meccanica quantistica, finché la scatola resta chiusa, il sistema “gatto-dispositivo” esiste in uno stato di sovrapposizione: il gatto è contemporaneamente vivo e morto. Questo fenomeno, per quanto controintuitivo, rappresenta una caratteristica fondamentale dei sistemi quantistici: la sovrapposizione degli stati. Solo quando un osservatore apre la scatola, il sistema “collassa” in uno dei due stati possibili, determinando se il gatto è vivo o morto.
Dai pensieri astratti alla scienza applicata
Il “gatto di Schrödinger” ha superato i confini del pensiero teorico per diventare una realtà sperimentale nei laboratori di fisica. Ovviamente, non si tratta di veri gatti, ma di sistemi fisici, come atomi o particelle subatomiche, che possono esistere in stati sovrapposti. Nel recente esperimento, i ricercatori hanno utilizzato atomi di itterbio-173 per garantire la stabilità del sistema ma soprattutto per fare in modo che gli stati sovrapposti corrispondano a due diversi livelli energetici del nucleo atomico dell’itterbio. Attraverso l’irradiazione con microonde, è stato infatti possibile indurre il nucleo a occupare simultaneamente entrambi i livelli energetici. Questo fenomeno rappresenta il principio alla base dei qubit, l’unità fondamentale della computazione quantistica, in cui i due stati rappresentano i valori binari 0 e 1.
La decoerenza quantistica
Mantenere uno stato di sovrapposizione per un periodo prolungato è estremamente difficile a causa della decoerenza quantistica.
Questo fenomeno si verifica quando il sistema quantistico interagisce con l’ambiente circostante, perdendo la sovrapposizione e collassando in uno stato definito. Anche la minima interferenza, come un fotone emesso dagli strumenti di laboratorio, può causare questo collasso.
Per minimizzare queste interazioni, i ricercatori hanno raffreddato il sistema quasi allo zero assoluto (ovvero -273,16 °C), riducendo drasticamente le radiazioni termiche che potrebbero perturbare lo stato quantistico. Inoltre, la scelta di utilizzare i livelli energetici del nucleo, più stabili rispetto a quelli degli elettroni, ha contribuito a estendere la durata della sovrapposizione fino a un record di 23 minuti.
Questo risultato rappresenta un miglioramento significativo rispetto ai precedenti esperimenti, in cui la sovrapposizione veniva mantenuta solo per millisecondi o, nei casi migliori, per pochi secondi.
Cosa implica un gatto quantistico stabile?
Le conseguenze di questa scoperta potrebbero essere molteplici e trasformare numerosi settori:
Sviluppo di computer quantistici
I computer quantistici promettono di rivoluzionare il calcolo, risolvendo problemi complessi che i computer classici non possono affrontare in tempi realistici. Tuttavia, una delle principali limitazioni attuali è la fragilità dei qubit, che perdono rapidamente la sovrapposizione. La capacità di mantenere uno stato quantistico stabile per 23 minuti rappresenta un passo fondamentale verso lo sviluppo di computer quantistici più affidabili ed efficienti.
Sensori quantistici di alta precisione
La sensibilità intrinseca della sovrapposizione quantistica può essere sfruttata per creare strumenti di misurazione estremamente precisi. Ad esempio, è possibile sviluppare sensori capaci di rilevare campi magnetici di intensità infinitesimale, con applicazioni in medicina, geologia e fisica dei materiali.
Crittografia quantistica
La crittografia quantistica, basata su fenomeni come la sovrapposizione e l’entanglement, offre la possibilità di creare sistemi di comunicazione praticamente inviolabili. Qualsiasi tentativo di intercettare un messaggio quantistico altera irreversibilmente il sistema, rendendo il messaggio inutilizzabile per un potenziale hacker.
Comprensione fondamentale della fisica
Questo esperimento non solo avvicina la scienza a realizzazioni pratiche, ma offre anche un’opportunità unica per testare i limiti delle teorie quantistiche e sviluppare nuovi modelli che descrivano la realtà in modo più completo.
Una rivoluzione?
Nonostante l’importanza di questo risultato, restano da affrontare molte difficoltà. La transizione dalla dimostrazione di laboratorio all’implementazione pratica richiede ulteriori progressi nella stabilità dei qubit e nello sviluppo di algoritmi ottimizzati per sfruttare appieno il potenziale della computazione quantistica. Inoltre, sarà necessario migliorare le tecnologie di raffreddamento e isolare ulteriormente i sistemi quantistici dalle interferenze esterne.
L’interesse per queste tecnologie non è solo accademico. Governi, aziende e istituzioni di ricerca di tutto il mondo stanno investendo risorse significative per sviluppare applicazioni quantistiche, riconoscendone il potenziale rivoluzionario.
Mentre la ricerca avanza, questo esperimento ci ricorda che il confine tra teoria e pratica è spesso sottile, e che ogni passo avanti nella comprensione della natura può aprire nuove porte verso tecnologie inimmaginabili. La frontiera quantistica, un tempo relegata al regno dell’astrazione, sta diventando sempre più concreta, promettendo di ridefinire non solo il nostro rapporto con la tecnologia, ma anche la nostra comprensione dell’universo stesso.