I salti quantici sono reali-e ora possiamo controllarli

Di Leah Crane

Per oltre un secolo, i fisici hanno remato sulla vera natura di un salto quantico. Ora c’è una risposta, e nella vera forma quantistica, tutti erano un po ‘ corretti.

La frase “quantum leap” ha preso un po ‘ di malcontento negli ultimi decenni – per molte persone richiamerà alla mente un cliché per un cambiamento massiccio, o il programma TELEVISIVO di fantascienza con Scott Bakula. In realtà descrive uno dei principi fondamentali della fisica quantistica: che gli atomi hanno livelli di energia discreti, e gli elettroni all’interno di un atomo possono saltare da un livello di energia all’altro, ma non possono essere osservati tra quei livelli specifici.

Titani della fisica tra cui Niels Bohr, che introdusse l’idea nel 1913, Erwin Schrödinger e Albert Einstein si scontrarono sulle specifiche di questi salti – noti anche come salti quantici – in particolare sul fatto che fossero istantanei e se il loro tempismo fosse casuale.

Ora, Zlatko Minev all’Università di Yale e i suoi colleghi hanno risolto il dibattito. “Se ingrandiamo su una scala molto fine, il salto non è né istantaneo né completamente casuale come pensavamo”, afferma Minev.

I ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo costruendo un circuito elettrico superconduttore con comportamento quantistico che lo rende un analogo all’atomo con tre livelli di energia: lo stato fondamentale, che è lo stato predefinito dell’atomo, uno stato “luminoso” collegato allo stato fondamentale e uno stato “oscuro” in cui l’atomo può saltare.

Spararono un fascio di microonde contro l’atomo artificiale per iniettare energia nel sistema. Generalmente, l’atomo stava rapidamente rimbalzando tra lo stato fondamentale e lo stato luminoso, emettendo un fotone ogni volta che saltava da luminoso a terra. Ma se l’atomo assorbisse un fotone di energia superiore dal raggio, salterebbe nello stato oscuro. Lo stato scuro era più stabile dello stato luminoso, quindi l’atomo sarebbe rimasto lì più a lungo senza emettere fotoni.

Da questi segnali, i ricercatori sono stati in grado di dire quando un salto quantico era iniziato cercando un lampo di luce dallo stato luminoso seguito da una pausa mentre l’atomo saltava nello stato oscuro. Minev lo paragona alla previsione di un’eruzione vulcanica. “È un fenomeno casuale, nessuno può prevedere quando si verificherà la prossima eruzione del vulcano, tuttavia prima che si verifichi la prossima eruzione ci sono alcuni segnali nel terreno che possiamo rilevare e utilizzare come avvertimento”, dice.

La pausa in luce dall’atomo è equivalente a quei segnali di allarme sismico. Su tempi più lunghi, è impossibile prevedere quando si verificherà il prossimo salto, come pensava Bohr, ma su tempi più brevi di pochi microsecondi, lo sono.

“Il fatto che un tale salto quantico sia stato visto in un circuito superconduttore piuttosto che in un atomo è indicativo del fatto che possiamo controllare questo circuito superconduttore in modi che non possiamo controllare gli atomi naturali”, afferma William Oliver al Massachusetts Institute of Technology. Un giorno dovremmo essere in grado di fare la stessa cosa con gli atomi reali, dice.

Questo controllo ha permesso al team di fare qualcosa che Bohr e i suoi contemporanei avrebbero ritenuto impossibile – controllare un salto quantico.

Se, subito dopo l’inizio del salto, i ricercatori colpissero l’atomo con un impulso elettrico, potevano intercettarlo e rispedire l’atomo allo stato fondamentale – cosa che non sarebbe stata possibile se i salti quantici fossero stati veramente istantanei e casuali. Invece, hanno scoperto che i salti hanno preso lo stesso percorso tra i due livelli di energia ogni volta, quindi era facile prevedere come rimbalzarli indietro.

Questo dimostra che, come ha insistito Schrödinger, i salti quantici non sono istantanei – in realtà richiedono circa quattro microsecondi. “In un certo senso i salti non sono salti”, dice Minev. “Se guardi queste caratteristiche più fini, puoi fare cose che forse pensavi di non poter fare a causa di queste piccole finestre di prevedibilità.”

Questo può eventualmente essere utile per correggere gli errori nel calcolo quantistico, Minev dice. Un salto quantico inaspettato potrebbe segnare un errore nei calcoli, e questo metodo potrebbe consentire ai ricercatori di individuare l’inizio del salto e tenere conto dell’errore, o addirittura invertirlo a metà salto. “Questo è un risultato scientifico molto importante e la sua rilevanza per i computer quantistici del futuro dipenderà dall’aspetto dei computer quantistici del futuro”, afferma Oliver.