La fisica quantistica prevale nel mondo microscopico, mentre la fisica classica domina nel dominio macroscopico. Il “passaggio di consegne” tra questi due domini rimane un mistero per gli scienziati per quanto riguarda le dimensioni ei meccanismi. Un recente esperimento utilizzando un risonatore acustico ha permesso di evidenziare la sovrapposizione quantistica – l’occupazione simultanea di due distinti stati quantistici – in un gruppo di 1016 Gli atomi pesano circa un microgrammo. Queste scoperte spingono i confini del “quantum” per quasi tutti gli oggetti macroscopici e potrebbero rivoluzionare l’informatica quantistica.
Les atoms and autres objets microscopiques obéissent aux lois de la mécanique quantique, tandis que les objets plus volumineux, tels qu’un vase ou même un sable grain, suivent les règles de la mécanique classique établies di Isaac Newton nei precedenti 340 anni.
In termini semplici, la meccanica quantistica suggerisce che un atomo può comportarsi come un’onda e quindi trovarsi in più posti contemporaneamente, mentre nella meccanica classica un vaso che cade si rompe senza altre possibili alternative. Una particella può anche trovarsi in due stati quantici contemporaneamente (sovrapposizione).
Numerosi esperimenti hanno confermato le strane proprietà delle particelle quantistiche negli ultimi 100 anni. Tuttavia, la ragione alla base della differenza di comportamento tra organismi microscopici e macroscopici è ancora sconosciuta.
Recentemente, Mathieu Fadel dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo (ETH) e colleghi sono riusciti a mettere un cristallo di un microgrammo in uno stato di sovrapposizione quantistica per testare la validità della meccanica quantistica nel mondo microscopico. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati sulla rivista
Lettere di revisione fisica. Questo lavoro dovrebbe consentire di testare la meccanica quantistica e le sue possibili modifiche utilizzando oggetti massicci di dimensioni microscopiche.
Stati quantistici di un cristallo vibrante
Per studiare la meccanica quantistica su oggetti più massicci, Mathieu Fadell e il suo team hanno utilizzato risonatori di onde sonore. Questi sono minuscoli fogli di zaffiro progettati per vibrare e quindi vengono misurate le loro vibrazioni.
Per generare vibrazioni che sono stati di sovrapposizione nella meccanica quantistica – l’equivalente di un atomo o di una molecola che si trova in due posti contemporaneamente – un cristallo piezoelettrico (che genera un campo elettrico quando la materia si deforma) è accoppiato a un circuito superconduttore che funge da bit quantico, o qubit, utilizzato dai computer quantistici.
Un qubit può assumere uno dei due possibili stati quantistici o una sovrapposizione dei due. Accoppiando il qubit al cristallo, lo stato di sovrapposizione del qubit può essere trasferito alle vibrazioni collettive degli atomi nel cristallo. Inoltre, il qubit può essere utilizzato per rilevare lo stato di vibrazione del cristallo.
Un cristallo di zaffiro (in alto) è accoppiato a un qubit tramite un materiale piezoelettrico attaccato al cristallo. Questo accoppiamento crea e caratterizza le modalità vibrazionali quantistiche nel cristallo. © ETH Zurigo
Usando questa procedura, i ricercatori sono stati in grado di creare stati di sovrapposizione meccanica quantistica di un cristallo di zaffiro composto da dieci trilioni di atomi (un numero con 16 zeri). Hanno raffreddato il cristallo, che vibrava circa sei miliardi di volte al secondo, a un centesimo di grado sopra lo zero assoluto per ridurre le fluttuazioni termiche.
Dopo aver posizionato il cristallo in uno specifico stato quantico, i ricercatori hanno rilevato il suo stato dopo un periodo variabile utilizzando un qubit. Ciò ha permesso loro di determinare se lo stato vibrazionale del cristallo fosse veramente quantomeccanico o se potesse essere descritto dalla meccanica classica. Durante il loro esperimento, hanno osservato le caratteristiche quantistiche nella vibrazione del cristallo per circa 40 microsecondi.
Una rivoluzione nella meccanica quantistica?
In rapportoFadel spiega:
Combinato con la grande massa del cristallo, questo tempo di coerenza suggerisce un test del principio di sovrapposizione quantistica a un livello vicino a quello che può essere raggiunto attualmente utilizzando gli interferometri. [instrument permettant de créer des
interférences d’ondes électromagnétiques et d’étudier la
superposition des ondes] “. Aggiungere : ” Con alcuni miglioramenti, in un prossimo futuro dovremmo essere in grado di studiare altri oggetti macroscopici, superando i risultati ottenuti con le particelle e testando così la meccanica quantistica in sistemi finora inesplorati. ».
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L’obiettivo finale di Fadel è scoprire cosa accade con gli effetti quantistici nel sistema di massa intermedia tra atomi o molecole da un lato e oggetti macroscopici dall’altro. Alcune teorie attuali postulano che la perdita di coerenza quantistica man mano che gli oggetti diventano più grandi avvenga in qualche modo nella meccanica quantistica.
Determinare se l’equazione di Schrödinger (notoriamente disegnata da un gatto vivo e morto in una scatola) debba essere modificata non è solo di grande importanza per la scienza di base, come sottolinea Fadel: Ciò avrà implicazioni importanti, ad esempio, per computer e sensori quantistici ».
Man mano che il numero di qubit in questi dispositivi quantistici cresce, gli effetti di decoerenza dovuti alle loro dimensioni possono imporre limitazioni impreviste alla loro funzionalità.