Il record di altezza di serraggio di Schrödinger

Hai mai visto “Schrödinger”? Questo gatto vivo e morto è l’eroe di uno dei più famosi esperimenti mentali in fisica, che dimostra il concetto di “sovrapposizione quantistica”, secondo il quale un sistema microscopico può trovarsi in più stati contemporaneamente. Ma nel mondo microscopico, questa idea sembra ridicola. Se fosse possibile, la nostra vita quotidiana sarebbe molto strana: una tazza di caffè sarebbe calda e fredda, l’ascensore sarebbe al piano terra, ma allo stesso tempo al terzo e quarto piano, ecc. La sovrapposizione di stati quantistici viene osservata quotidianamente in laboratorio su sistemi microscopici, come singole particelle, ma è completamente assente nel mondo macroscopico. Ma nulla le impedisce in linea di principio! Questo è il motivo per cui i fisici stanno cercando di far luce su cose sempre più grandi. La squadra di Yiwen Chu, del Politecnico di Zurigo, ha battuto il record per il più grande “gatto di Schrödinger”. Chiaramente non è un vero gatto, ma un oscillatore meccanico, e questo gatto pesa appena 16 microgrammi, ovvero quanto un granello di sabbia… un essere alle soglie del mondo macroscopico!

Se la sovrapposizione di stati non si estende facilmente agli oggetti macroscopici, è perché è fragile. Se la particella è posta in una tale configurazione, basta fare una misura su di essa perché la sovrapposizione svanisca. Nel momento in cui viene effettuata la misurazione, la particella adotta casualmente solo uno dei suoi stati di sovrapposizione. Tuttavia, un corpo macroscopico è composto da un numero enorme di particelle (dell’ordine di 10²⁴) e le interazioni con il suo ambiente sono sufficienti a distruggere qualsiasi sovrapposizione di stati. Si parla di “decoerenza”.

Erwin Schrödinger, uno dei padri della meccanica quantistica, non era del tutto soddisfatto dell’idea di sovrapposizione di stati. Nel 1935 immaginò un esperimento mentale per illustrarne tutte le assurdità. “Gatto” è posto in una scatola opaca contenente un dispositivo contenente un atomo radioattivo e un sistema che rilascerà un veleno letale per il gatto se l’atomo si disintegra. Quando la scatola è chiusa, è impossibile sapere se l’atomo si è disintegrato dopo un certo tempo. Dobbiamo presumere che l’atomo si trovi in ​​una sovrapposizione degli stati “intatto” e “disgiunto”. Ma lo stesso vale per la fiala di veleno, che è “aperta” e “chiusa”, e, di conseguenza, per il gatto “vivo” e “morto”. Una situazione assurda nella vita di tutti i giorni. Ovviamente, quando apri la scatola, esegui una “misurazione” e la sovrapposizione di stato “collassa” in uno stato ben definito: il gatto è vivo o morto.

Non abbiamo mai osservato un gatto vivo e morto allo stesso tempo, ma quanto può essere grande un sistema in una sovrapposizione di stati? Nel 2019, il team di Marcus Arndt dell’Università di Vienna, in Austria, ha raggiunto questa impresa con una molecola contenente quasi 2.000 atomi.

Nel 2010, Andrew Cleland dell’Università di Chicago ei suoi colleghi hanno adottato un altro approccio. Costruirono una specie di “cilindro quantico”, un oscillatore micromeccanico al nitruro di alluminio contenente circa 10¹³ Atomi, le cui vibrazioni producono una corrente elettrica con effetto piezoelettrico. Questo oscillatore è stato collegato a un qubit che è stato utilizzato per misurare lo stato di vibrazione. Il gruppo è stato quindi raffreddato al di sotto di 0,1 K. Grazie al flusso magnetico esterno, i fisici sono riusciti a mettere questo oscillatore in una sovrapposizione di due modi di vibrazione: vibrare e non vibrare allo stesso tempo! Questo dispositivo è stato ispirato da Yuen Zhu e dal suo team e lo ha esteso a un sistema molto più grande: il loro risonatore, con 10¹⁷ Atomi, è l’oggetto più grande mai osservato negli stati di sovrapposizione.

Spingendo il limite sulla dimensione degli oggetti che mostrano un comportamento quantistico, i fisici sperano di capire meglio come vengono distrutte le sovrapposizioni di stati. L’interazione con l’ambiente non è l’unica spiegazione offerta. Esistono altre ipotesi, oltre alla meccanica quantistica standard, e si basano, ad esempio, sul collasso spontaneo o sui processi di decoerenza associati all’interazione gravitazionale. Ma per ora, il gatto di Schrödinger sta mantenendo tutti i suoi segreti.

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