I fisici di Oxford hanno creato un tipo completamente nuovo di stato quantistico simile al gatto di Schrödinger utilizzando componenti che sono essi stessi di natura fortemente quantistica. Questa scoperta potrebbe aprire nuove possibilità per computer quantistici più robusti e per una comprensione più approfondita delle strane regole che governano l’universo quantistico.
I ricercatori dell’Università di Oxford hanno creato un nuovo tipo di sovrapposizione quantistica, un fenomeno spesso associato al famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger. A differenza delle versioni precedenti, questi stati appena dimostrati sono costruiti a partire da componenti quantistiche altamente non classiche. Questa scoperta potrebbe contribuire a far progredire il calcolo quantistico oltre i tradizionali sistemi binari, a migliorare le tecnologie di rilevamento e a fornire nuove intuizioni sui fondamenti della fisica quantistica.
Una delle caratteristiche più sorprendenti della meccanica quantistica è che gli oggetti possono esistere simultaneamente in più stati. Questo concetto è comunemente illustrato dal gatto di Schrödinger, un gatto ipotetico che viene considerato contemporaneamente vivo e morto finché non viene osservato.
Sebbene l’esperimento mentale sia di fantasia, gli scienziati creano regolarmente sovrapposizioni quantistiche reali in laboratorio. Atomi, luce e persino il movimento possono essere portati contemporaneamente in più stati quantistici. La capacità di generare e controllare questi stati è fondamentale per tecnologie come i computer quantistici e gli orologi ultra-precisi.
Un esempio comune è il qubit, o bit quantistico, che può esistere contemporaneamente in una combinazione di 0 e 1. Tuttavia, i sistemi quantistici sono capaci di molto più di un comportamento a due soli stati.
Gli oscillatori armonici quantistici, che possono occupare molti livelli energetici, offrono una gamma di possibilità ben più ampia. Questi oscillatori descrivono una vasta gamma di sistemi fisici, tra cui la luce, le vibrazioni e il moto di particelle intrappolate. Gli scienziati li hanno utilizzati per creare diversi tipi di sovrapposizioni quantistiche. Un esempio ben noto è lo “stato del gatto”, in cui un oscillatore esiste come sovrapposizione di due pacchetti d’onda che si muovono in direzioni opposte. Questi pacchetti d’onda, chiamati stati coerenti, sono i più vicini equivalenti quantistici al moto classico.
Costruzione di stati quantistici a partire da componenti non classici
Il team di Oxford ha ora dimostrato l’esistenza di una famiglia completamente nuova di sovrapposizioni quantistiche.
Anziché costruire stati simili a quelli di un gatto a partire da pacchetti d’onda di stati coerenti, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica che combina un’ampia gamma di componenti quantistiche già di per sé altamente non classiche. Nelle sovrapposizioni di stati compressi, ad esempio, l’incertezza quantistica è distribuita in modo diverso in ciascuna parte dello stato.
L’esperimento si basava sul movimento di un singolo ione intrappolato. Uno ione intrappolato combina due distinti sistemi quantistici in un’unica piattaforma. Il suo stato interno si comporta come un qubit, mentre il suo movimento agisce come un oscillatore armonico quantistico che può occupare molti stati di moto diversi. Questa combinazione rende gli ioni intrappolati particolarmente utili per creare stati quantistici che si estendono oltre i qubit convenzionali.
Per generare i nuovi stati, i ricercatori hanno innanzitutto progettato interazioni che intrecciassero lo stato interno dello ione con diversi possibili stati di moto. Hanno quindi eseguito una misurazione quantistica a metà circuito sullo stato interno, causando il collasso del moto dello ione nella sovrapposizione desiderata di componenti non classiche.
“Questo approccio ci ha fornito uno strumento per modellare la sovrapposizione quantistica in quasi qualsiasi forma”, spiega l’autore principale, il dottor Sebastian Saner (Dipartimento di Fisica, Università di Oxford).
Controllo programmabile di stati quantistici esotici
Il nuovo metodo ha conferito al team un elevato grado di controllo sugli stati quantistici prodotti.
Regolando i parametri sperimentali, sono stati in grado di modificare le dimensioni relative, l’orientamento e la separazione dei componenti all’interno della sovrapposizione. Questa flessibilità ha permesso loro di creare un’ampia varietà di stati quantistici di moto insoliti utilizzando lo stesso sistema di ioni intrappolati.
I ricercatori hanno quindi ricostruito direttamente gli stati quantistici. Le loro misurazioni hanno rivelato schemi di interferenza e regioni di negatività di Wigner, chiari segnali che gli stati non potevano essere descritti come normali miscele classiche. Queste osservazioni hanno confermato che l’esperimento aveva prodotto con successo autentiche sovrapposizioni quantistiche composte da stati di moto realmente non classici.
Il team sta ora collaborando con i teorici per comprendere meglio quanto siano “quantistici” questi stati appena creati.
“Siamo stati davvero incoraggiati dalla reazione dei nostri colleghi quando abbiamo mostrato loro ciò che avevamo realizzato. Crediamo di essere ancora all’inizio di ciò che è possibile, sia per le applicazioni pratiche che per la comprensione di questi stati a un livello più fondamentale”, afferma il dottor Raghavendra Srinivas (Dipartimento di Fisica, Università di Oxford), che ha supervisionato il lavoro.
Potenziale impatto sull’informatica quantistica
La ricerca indica che le future tecnologie quantistiche si baseranno su oscillatori quantistici anziché su semplici bit quantistici.
Un’applicazione particolarmente promettente è il calcolo quantistico. Questi tipi di stati potrebbero essere più resistenti agli errori, supportando al contempo strategie di correzione degli errori più semplici ed efficaci. Oltre al calcolo, forniscono una nuova piattaforma sperimentale per indagare uno dei più grandi interrogativi della fisica: dove si trova il confine tra il mondo classico che percepiamo e la realtà quantistica sottostante che lo governa.
Abstract
Il controllo coerente completo e la generazione di sovrapposizioni non classiche dell’oscillatore armonico quantistico non sono solo di fondamentale interesse, ma sono cruciali per applicazioni in simulazioni quantistiche, metrologia quantistica avanzata e calcolo quantistico a variabili continue. In questo lavoro, creiamo sovrapposizioni arbitrarie di stati non classici e non gaussiani di un oscillatore armonico quantistico utilizzando il moto di uno ione intrappolato accoppiato ai suoi stati di spin interni. Integriamo interazioni non lineari dipendenti dallo spin con misurazioni di spin a metà circuito che preannunciano la preparazione probabilistica di sovrapposizioni di stati squeezed, trisqueezed e quadsqueezed, che non erano mai state dimostrate sperimentalmente in precedenza. Otteniamo un controllo indipendente sul parametro di squeezing a valori complessi e sull’ampiezza di probabilità di ciascun costituente, nonché sulla loro separazione spaziale. Osserviamo direttamente la natura non classica di questi stati sotto forma di negatività di Wigner a seguito di una ricostruzione completa dello stato. I nostri metodi si applicano a qualsiasi sistema in cui un oscillatore armonico quantistico sia accoppiato a uno spin.
Materiale fornito dall’Università di Oxford . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
S. Saner, O. Băzăvan, D. J. Webb, G. Araneda, D. M. Lucas, C. J. Ballance, R. Srinivas. Generating Arbitrary Superpositions of Nonclassical Quantum Harmonic Oscillator States. Physical Review X, 2026; 16 (2) DOI: 10.1103/k1xk-yt42
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