Applicare la meccanica quantistica a sistemi complessi
La meccanica quantistica descrive le sorprendenti proprietà della natura su scala microscopica. Ad esempio, gli scienziati hanno dimostrato che in questo mondo una particella può ritrovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di due stati. «Ciò significa che una particella, come un elettrone, può trovarsi in qualche modo sia qui che lì, allo stesso tempo», spiega Angelo Bassi, coordinatore del progetto TEQ, dell’Università di Trieste. «In particolare, questo è quanto accade alla funzione d’onda che descrive la particella. Analogamente alle onde oceaniche, queste onde matematiche si separano e quando si ricombinano interferiscono le une con le altre. Da questa interferenza, gli scienziati possono concludere che a un certo punto si sono separate per poi riunirsi.»
Domande sulla teoria quantistica
Gli scienziati sono quindi certi che le particelle elementari, gli atomi e persino alcune molecole più complesse possano esistere in questo stato quantistico. Ma cosa succede se continuiamo a risalire la scala microscopica fino a sistemi ancora più grandi e complessi? Noi potremmo esistere in uno stato quantistico? E in caso contrario, perché? «La teoria quantistica suggerisce che ciò è possibile», aggiunge Bassi. «Una domanda fondamentale riguarda dunque la possibilità che esista un certo punto in cui la meccanica quantistica fallisce.» Ciò si rifà al famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger, in cui un ipotetico gatto invisibile può essere considerato contemporaneamente sia vivo che morto a seguito di un’azione che potrebbe essere accaduta o meno.
Collasso della funzione d’onda
Il contributo del progetto TEQ a questa domanda si è concretizzato nel superare l’attuale stato dell’arte degli esperimenti quantistici. I fisici quantistici hanno cercato di vedere se una particella isolata mostri il tipo di interferenza d’onda di cui sopra. Qualora si verifichi un’interferenza, i ricercatori possono dedurre che la particella si è trovata in sovrapposizione. «La sfida consiste nel raggiungere questo obiettivo ricorrendo a sistemi sempre più complessi», osserva Bassi. «È tecnologicamente molto difficile creare e controllare la sovrapposizione isolando tutte le interferenze circostanti.» Per risolvere questo problema, il progetto TEQ ha adottato una nuova strategia, applicando i cosiddetti modelli di collasso spontaneo della funzione d’onda per prevedere quando la meccanica quantistica viene meno. Ciò presuppone la creazione di un certo «rumore» quando la sovrapposizione collassa. «Anziché cercare la sovrapposizione, abbiamo sviluppato un nuovo esperimento per rilevare questo “rumore”», spiega Bassi. A tal fine, il team del progetto ha intrappolato nanocristalli raffreddati e li ha manipolati per rilevare il minimo movimento. Se venisse rilevato un movimento, gli scienziati saprebbero che si sta creando del «rumore».
Misurare la gravità quantistica
Il risultato più importante del progetto TEQ è stato dimostrare la fattibilità dell’esperimento. Ciò ha introdotto nuove ed entusiasmanti possibilità nella sperimentazione quantistica. «In futuro continueremo a misurare questo rumore e a migliorare la sensibilità dell’esperimento», osserva Bassi. «In questo modo potremo analizzare il rumore proveniente da segnali sempre più deboli.» L’idea è che si possano sperimentare sistemi più grandi e complessi, colmando così il divario con il mondo macroscopico. Il team del progetto TEQ è stato anche in grado di dimostrare la squisita sensibilità della loro innovazione alimentata da quanti. Da ciò potrebbero scaturire nuovi interessanti esperimenti per la misurazione di nuovi fenomeni legati alla gravità. «Sappiamo molto poco del comportamento gravitazionale nel reale stato quantistico», afferma Bassi. «La gravità è in realtà una forza molto debole e per misurarla occorre un sensore estremamente valido. Ci interessa molto la possibilità di applicare questo sensore per affrontare le questioni relative alla gravità.»
Parole chiave
TEQ, meccanica quantistica, microscopico, gravità, elettrone, atomo, sovrapposizione
