Un impulso laser rimbalzò su un atomo di rubidio ed entrò nel mondo quantistico, assumendo la strana fisica del "gatto di Schrödinger". Poi un altro ha fatto la stessa cosa. Poi un altro.
Gli impulsi laser non facevano crescere baffi o zampe. Ma sono diventati come il famoso esperimento di pensiero della fisica quantistica in modo importante il gatto di Schrödinger: erano oggetti di grandi dimensioni che si comportavano come le creature morte e vive della fisica subatomica - esistenti in un limbo tra due stati simultanei e contraddittori. E il laboratorio in Finlandia dove sono nati non ha avuto limiti su quanti ne potevano fare. Impulso dopo impulso trasformato in una creatura del mondo quantistico. E quei "gatti quantistici", sebbene esistessero solo per una frazione di secondo all'interno della macchina sperimentale, avevano il potenziale per essere immortali.
"Nel nostro esperimento, è stato inviato immediatamente al rilevatore, quindi è stato distrutto subito dopo la sua creazione", ha dichiarato Bastian Hacker, un ricercatore del Max Planck Institute of Quantum Optics in Germania, che ha lavorato all'esperimento.
Ma non doveva essere così, ha detto Hacker a Live Science.
"Uno stato ottico può vivere per sempre. Quindi se avessimo mandato l'impulso nel cielo notturno, potrebbe vivere per miliardi di anni nel suo stato."
Quella longevità è parte di ciò che rende questi impulsi così utili, ha aggiunto. Un gatto laser di lunga durata può sopravvivere a viaggi a lungo termine attraverso una fibra ottica, rendendolo una buona unità di informazione per una rete di computer quantistici.
Gatto quantico, morto e vivo
Cosa significa fare un impulso laser come il gatto di Schrödinger? Prima di tutto, il gatto non era un animale domestico. Fu un esperimento mentale che il fisico Erwin Schrödinger propose nel 1935 di sottolineare la pura irragionevolezza della fisica quantistica che lui e i suoi colleghi stavano scoprendo solo allora.
Ecco come va: la fisica quantistica impone che, in determinate condizioni, una particella possa avere due tratti contraddittori allo stesso tempo. La rotazione di una particella (una misura quantistica che non assomiglia del tutto alla rotazione che vediamo sulla scala macro) potrebbe essere "in alto" mentre "in basso". Solo quando viene misurata la sua rotazione la particella collassa in un modo o nell'altro.
I fisici hanno diverse interpretazioni di questo comportamento, ma il più popolare (chiamato interpretazione di Copenaghen) afferma che la particella non è realmente ruotata o ridotta prima che venga osservata. Fino ad allora, è in una sorta di nebuloso mondo infernale tra gli stati e decide l'uno o l'altro solo quando è costretto da un osservatore esterno.
Schrödinger notò che questo aveva delle implicazioni bizzarre.
Immaginò una scatola d'acciaio opaca, contenente un gatto, un atomo e una fiala di vetro sigillato di gas velenoso. Se l'atomo decadesse (una possibilità, ma non una cosa certa, grazie alla meccanica quantistica), un meccanismo nella scatola manderebbe in frantumi il vetro, uccidendo il gatto. Se l'atomo non si deteriorasse, il gatto sarebbe sopravvissuto. Lascia il gatto nella scatola per un'ora, disse Schrödinger, e il gatto sarebbe finito in una "sovrapposizione" tra vita e morte.
Il problema con ciò, stava insinuando, è che non ha alcun senso.
Eppure, il gatto di Schrödinger è diventato una specie di utile scorciatoia per cose su macro-scala che obbediscono alle leggi della fisica classica, ma interagiscono con oggetti quantistici in modo tale da non avere né un tratto né un altro.
Nel nuovo esperimento, descritto in un articolo pubblicato il 14 gennaio sulla rivista Nature Photonics, i ricercatori hanno creato impulsi laser in sovrapposizione tra due possibili stati quantici. Hanno chiamato i piccoli impulsi "stati di gatto ottico volante".
Per realizzarli, hanno prima confinato l'atomo di rubidio in una cavità tra due specchi larga solo 0,5 millimetri (circa la larghezza di un granello di sale). L'atomo può trovarsi in uno dei tre stati: due stati "terra" o uno stato "eccitato". Quando la luce entrò nella cavità, si intrecciò con l'atomo, il che significa che il suo stato era fondamentalmente collegato allo stato dell'atomo.
Quindi, quando l'impulso di luce ha colpito un rivelatore di luce, aveva segni rivelatori di in-intermedio, né si comportava del tutto come se fosse impigliato in una specie di atomo o in un altro. Era un gatto volante fatto di luce.
Quella via di mezzo aveva a che fare con la posizione delle onde luminose, disse Hacker. Dopo aver gettato uno sguardo fuori dall'atomo, la luce ha continuato a muoversi attraverso lo spazio come un'onda: collina e valle, collina e valle.
Ma è diventato incerto se in un dato momento l'onda della luce stava raggiungendo la cima di una collina o scendendo in una valle, Hacker ha detto a Live Science.
La luce si comportava come se avesse almeno due diverse onde che la compongono, ognuna un'immagine speculare dell'altra.
(In realtà, la luce potrebbe avere forme ancora più possibili: la sua onda ha sempre avuto almeno qualche possibilità di occupare ogni punto tra la cima di una "collina" e il fondo di una "valle". Ma due onde speculari rappresentavano il due stati probabilmente incerti.)
I ricercatori hanno affermato che lungo la strada, questa capacità di inviare gatti in movimento da un luogo all'altro potrebbe essere utile per la rete quantistica. Questo perché la rete quantistica probabilmente farà affidamento sull'invio di luce avanti e indietro tra i computer quantistici, ha affermato Hacker, piuttosto che l'elettricità.
"La cosa più semplice da inviare sarebbero i singoli fotoni, ma quando si perdono, le informazioni trasportate spariscono", ha detto. "Gli stati cat possono codificare le informazioni quantistiche in un modo che consenta di rilevare le perdite ottiche e correggerle. Sebbene ogni trasmissione ottica abbia delle perdite, le informazioni possono essere trasmesse perfettamente."
Detto questo, c'è ancora del lavoro da fare. Mentre i ricercatori sono stati in grado di creare i gatti "in modo deterministico", il che significa che un gatto è emerso ogni volta che hanno eseguito il loro esperimento, i gatti non sono sempre sopravvissuti al breve viaggio verso il ricevitore di luce. L'ottica è complicata e talvolta la luce si spegne prima di arrivarci.
Inoltre, una persona ragionevole potrebbe chiedersi se questi impulsi luminosi contano davvero come i gatti di Schrödinger. Sono certamente oggetti classici - nel senso che seguono le leggi deterministiche di oggetti su larga scala - ma i ricercatori hanno riconosciuto nel documento che su una scala di soli quattro fotoni, il laser era sul bordo della scala macroscopica e quantistica; e così si potrebbe dire che sono macroscopici solo con la più ampia delle definizioni.
"In effetti, pochi fotoni non sono nulla vicino a un oggetto macroscopico nel mondo reale", ha detto Hacker. "Il punto di impulsi ottici coerenti come quelli che abbiamo usato è che l'ampiezza può essere ingrandita continuamente senza alcun limite fondamentale."
In altre parole, certo, questi sono alcuni piccoli gatti. Ma non c'è motivo per cui la stessa idea di base non possa essere utilizzata per creare alcuni felini Schrödinger giganti.
Ma i ricercatori erano in definitiva fiduciosi nell'uso del termine e "stato di gatto volante ottico" ha un anello.
