Il protocollo potrebbe rendere più semplice testare la natura quantistica di oggetti di grandi dimensioni – Physics World

Un protocollo per testare la natura quantistica di oggetti di grandi dimensioni – che, in linea di principio, potrebbe funzionare per oggetti di qualsiasi massa – è stato proposto da ricercatori nel Regno Unito e in India. Una caratteristica fondamentale del protocollo è che elude la necessità di creare uno stato quantistico macroscopico per verificare se la meccanica quantistica è valida o meno su larga scala. Alcuni fisici, tuttavia, non sono convinti che la ricerca costituisca un progresso significativo.

La meccanica quantistica fa un lavoro fantastico nel descrivere atomi, molecole e particelle subatomiche come gli elettroni. Tuttavia, gli oggetti più grandi di solito non mostrano comportamenti quantistici come l'entanglement e la sovrapposizione. Ciò può essere spiegato in termini di decoerenza quantistica, che si verifica quando delicati stati quantistici interagiscono con ambienti rumorosi. Ciò fa sì che i sistemi macroscopici si comportino secondo la fisica classica.

Il modo in cui la meccanica quantistica si scompone su scala macroscopica non è solo teoricamente affascinante, ma è anche cruciale per i tentativi di sviluppare una teoria che riconcili la meccanica quantistica con la teoria generale della relatività di Albert Einstein. I fisici sono quindi entusiasti di osservare il comportamento quantistico in oggetti sempre più grandi.

Sfida formidabile

Creare stati quantistici macroscopici e preservarli abbastanza a lungo da osservarne il comportamento quantistico è una sfida formidabile quando si ha a che fare con oggetti molto più grandi di atomi o molecole tenuti in trappola. In effetti, l'entanglement quantistico delle pelli macroscopiche vibranti (ciascuna di 10 micron di dimensione) da parte di due gruppi indipendenti, uno negli Stati Uniti e uno in Finlandia, è stato scelto come Mondo della fisica svolta dell’anno 2021 per l’abilità sperimentale dei team.

Il nuovo protocollo si ispira alla disuguaglianza Leggett-Garg. Questa è una modifica della disuguaglianza di Bell, che valuta se due oggetti sono legati in modo quantomeccanico dalla correlazione tra le misurazioni dei loro stati. Se la disuguaglianza di Bell viene violata, le misurazioni sono correlate così bene che, se i loro stati fossero indipendenti, l’informazione dovrebbe viaggiare più velocemente della luce tra gli oggetti. Poiché si ritiene che la comunicazione superluminale sia impossibile, una violazione viene interpretata come prova di entanglement quantistico.

La disuguaglianza di Leggett-Garg applica lo stesso principio alle misurazioni sequenziali dello stesso oggetto. Una proprietà dell'oggetto viene prima misurata in modo che, se si tratta di un oggetto classico (non quantistico), non sia invasivo. Successivamente viene effettuata un'altra misurazione. Se l'oggetto è un'entità classica, la prima misurazione non altera il risultato della seconda misurazione. Tuttavia, se l'oggetto è definito da una funzione d'onda quantistica, l'atto stesso della misurazione lo disturberà. Di conseguenza, le correlazioni tra misurazioni successive possono rivelare se l’oggetto obbedisce alla meccanica classica o quantistica.

Nanocristallo oscillante

Nel 2018, il fisico teorico Sougato Bose presso l'University College di Londra e colleghi hanno proposto di eseguire un test del genere su un nanocristallo raffreddato che oscilla avanti e indietro in una trappola armonica ottica. La posizione del nanocristallo verrebbe determinata focalizzando un raggio di luce su un lato di una trappola. Se la luce passa senza disperdersi, l'oggetto si trova dall'altra parte della trappola. Osservando successivamente lo stesso lato della trappola, si può calcolare se la disuguaglianza di Leggett-Garg è violata o meno. Se così fosse, un iniziale mancato rilevamento dell’oggetto avrebbe disturbato il suo stato quantistico, e quindi il nanocristallo mostrerebbe un comportamento quantistico.

Il problema, dice Bose, è che la massa deve essere misurata due volte sullo stesso lato della trappola. Ciò è fattibile solo per masse con brevi periodi di oscillazione perché lo stato quantistico deve rimanere coerente durante tutta la misurazione. Tuttavia, grandi masse di interesse avranno periodi troppo lunghi perché ciò funzioni. Ora, Bose e colleghi propongono che la seconda misurazione venga effettuata in una posizione che, se l’oggetto obbedisce alla meccanica classica, si prevede abbia raggiunto.

"È molto meglio andare nel luogo in cui andrebbe a causa della sua normale oscillazione e scoprire quanto differisce da quel luogo", afferma Bose.

Il vantaggio di questo schema è che, finché l'oggetto rimane in uno stato coerente, dovrebbe essere possibile eseguire l'esperimento per oggetti di qualsiasi massa poiché è sempre possibile calcolare la posizione attesa di un oscillatore armonico classico. Diventa più difficile isolare oggetti più grandi, ma Bose ritiene che questi stati apparentemente classici sarebbero più resistenti al rumore rispetto agli stati quantistici macroscopici esotici come le sovrapposizioni.

Monitoraggio dell'evoluzione del sistema

Fisico quantistico Vlatko Vedral dell’Università di Oxford concorda sul fatto che l’approccio dei ricercatori potrebbe offrire vantaggi rispetto agli esperimenti che tentano di utilizzare stati quantistici macroscopici spazialmente separati. Tuttavia, afferma che “ciò che diventa importante in queste misurazioni non è tanto lo stato iniziale ma la sequenza delle misurazioni effettuate”, e che monitorare l’evoluzione del sistema dopo la prima misurazione in modo che le correlazioni vengano rivelate “non è un problema affatto banale”.

Come misurare il comportamento quantistico nei nanocristalli

È anche scettico riguardo alla pretesa di indipendenza di massa. “Non so in pratica quanto sia facile raggiungere questo obiettivo”, dice, “ma è semplicemente correlato alle dimensioni, perché più sottosistemi hai, maggiori saranno le perdite nell’ambiente”.

Tony Leggett (che ha co-sviluppato la disuguaglianza negli anni '1980 con Anupam Garg) è un esperto dei fondamenti della meccanica quantistica che ha condiviso il Premio Nobel nel 2003 per il suo lavoro sulla superconduttività e sui superfluidi. Ora professore emerito all'Università dell'Illinois, vede un altro problema nel lavoro di Bose e colleghi. "È molto chiaro che questi ricercatori sono convinti che la meccanica quantistica continuerà a funzionare, ma non ne sono così sicuro", dice.

Leggett nota, tuttavia, che le prove del collasso della meccanica quantistica verrebbero interpretate dalla maggior parte della comunità dei fisici come il risultato della decoerenza, che potrebbe essere causata da una misurazione invasiva. A differenza degli esperimenti su stati noti – di cui ha preso parte – afferma che Bose e colleghi non presentano un mezzo per verificare quanto sia invasiva la loro misurazione, ad esempio utilizzando lo stesso protocollo di misurazione su un diverso insieme di stati.

La ricerca è descritta in un documento che è stato accettato per la pubblicazione in Physical Review Letters. A la prestampa è disponibile su arXiv.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/