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| Per testare la teoria della traiettoria quantistica è stato utilizzato un atomo artificiale costituito da un circuito di alluminio su zaffiro. |
Un recente test ha confermato le previsioni della teoria della traiettoria quantistica, che descrive cosa accade durante il lungo e misterioso "collasso" di un sistema quantistico.
Immaginate se tutte le nostre teorie e modelli scientifici ci dicessero solo delle medie: se le migliori previsioni meteorologiche potessero darvi solo la quantità media giornaliera di pioggia prevista per il prossimo mese, o se gli astronomi potessero solo prevedere il tempo medio tra le eclissi solari.
Agli albori della meccanica quantistica, questo sembrava essere il suo limite inevitabile: era una teoria probabilistica, che ci diceva solo ciò che osserveremo in media se raccogliamo record per molti eventi o particelle. Per Erwin Schrödinger, la cui omonima equazione prescrive come si comportano gli oggetti quantici, era assolutamente priva di significato pensare a specifici atomi o elettroni che facevano cose in tempo reale. "È giusto affermare", scrisse nel 1952, "che non stiamo sperimentando singole particelle. ... Stiamo esaminando i registri degli eventi molto tempo dopo che sono accaduti. "In altre parole, la meccanica quantistica sembrava funzionare solo per "ensemble" di molte particelle. "Quando l'ensemble è abbastanza grande, è possibile acquisire statistiche sufficienti per verificare se le previsioni siano corrette o meno", ha detto Michel Devoret, un fisico dell'Università di Yale.
Ma c'è un altro modo per formulare la meccanica quantistica in modo che possa parlare dei singoli eventi che accadono nei singoli sistemi quantistici. Si chiama teoria della traiettoria quantistica (QTT) ed è perfettamente compatibile con il formalismo standard della meccanica quantistica - è solo una visione più dettagliata del comportamento quantistico. La descrizione standard viene recuperata su lunghe scale temporali dopo che la media di molti eventi è stata calcolata.
La teoria della traiettoria quantistica fa previsioni che sono impossibili da fare con la formulazione standard.
Michel Devoret
In una sfida diretta alla visione pessimistica di Schrödinger, "il QTT si occupa precisamente di singole particelle e di eventi proprio mentre stanno accadendo", ha detto Zlatko Minev, che ha completato il dottorato nel laboratorio di Devoret a Yale. Applicando QTT a un esperimento su un circuito quantico, Minev e i suoi collaboratori sono stati recentemente in grado di catturare un "salto quantico" - un passaggio tra due stati di energia quantica - mentre si dispiegava nel tempo. Dovevano anche ottenere la straordinaria impresa di catturare un tale salto a midflight e invertirlo.
"La teoria della traiettoria quantistica fa previsioni che sono impossibili da fare con la formulazione standard", ha detto Devoret. In particolare, è in grado di prevedere come si comportano i singoli oggetti quantici come le particelle quando vengono osservati, cioè quando le misurazioni vengono eseguite su di essi.
L'equazione di Schrödinger non può farlo. Prevede perfettamente come un oggetto si evolverà nel tempo se non lo misuriamo. Ma aggiungete le misure e tutto ciò che potete ottenere dall'equazione di Schrödinger è una previsione di ciò che vedrete in media su molte misurazioni, non su ciò che ogni singolo sistema farà. Per esempio, non ti dirà cosa aspettarti da un salto quantico solitario.
La misurazione deraglia l'equazione di Schrödinger a causa di un fenomeno particolare chiamato back-action quantica. Una misura quantistica influenza il sistema osservato: l'atto di osservazione inietta un tipo di rumore casuale nel sistema. Questa è alla fine la fonte del famoso principio di indeterminazione di Heisenberg. L'incertezza di una misurazione non è, come inizialmente pensò Heisenberg, un effetto di un intervento maldestro in un delicato sistema quantistico - un fotone che colpisce una particella e la spinge via, diciamo. Piuttosto, è un risultato inevitabile dell'effetto intrinsecamente randomizzante dell'osservazione stessa. L'equazione di Schrödinger funziona alla perfezione nel prevedere come si evolve un sistema quantistico, a meno che non lo misuri, nel qual caso il risultato è imprevedibile.
"La teoria della traiettoria quantistica fa previsioni che sono impossibili da fare con la formulazione standard", ha detto Devoret. In particolare, è in grado di prevedere come si comportano i singoli oggetti quantici come le particelle quando vengono osservati, cioè quando le misurazioni vengono eseguite su di essi.
L'equazione di Schrödinger non può farlo. Prevede perfettamente come un oggetto si evolverà nel tempo se non lo misuriamo. Ma aggiungete le misure e tutto ciò che potete ottenere dall'equazione di Schrödinger è una previsione di ciò che vedrete in media su molte misurazioni, non su ciò che ogni singolo sistema farà. Per esempio, non ti dirà cosa aspettarti da un salto quantico solitario.
La misurazione deraglia l'equazione di Schrödinger a causa di un fenomeno particolare chiamato back-action quantica. Una misura quantistica influenza il sistema osservato: l'atto di osservazione inietta un tipo di rumore casuale nel sistema. Questa è alla fine la fonte del famoso principio di indeterminazione di Heisenberg. L'incertezza di una misurazione non è, come inizialmente pensò Heisenberg, un effetto di un intervento maldestro in un delicato sistema quantistico - un fotone che colpisce una particella e la spinge via, diciamo. Piuttosto, è un risultato inevitabile dell'effetto intrinsecamente randomizzante dell'osservazione stessa. L'equazione di Schrödinger funziona alla perfezione nel prevedere come si evolve un sistema quantistico, a meno che non lo misuri, nel qual caso il risultato è imprevedibile.
Devo dire che la retroguardia quantica può essere concepita come un allineamento imperfetto tra il sistema e l'apparato di misurazione, perché non si sa come sia il sistema fino a quando non si guarda. Lo confronta con l'osservazione di un pianeta usando un telescopio. Se il pianeta non è esattamente al centro della cornice del telescopio, l'immagine sarà sfocata.
QTT, tuttavia, può prendere in considerazione l'azione posteriore. Il problema è che per applicare il QTT è necessario avere una conoscenza quasi completa del comportamento del sistema che si sta osservando. Normalmente, l'osservazione di un sistema quantistico trascura molte informazioni potenzialmente disponibili: alcuni fotoni emessi si perdono nel loro ambiente, per esempio. Ma se praticamente tutto è misurato e conosciuto sul sistema - incluse le conseguenze casuali della retroazione - allora puoi costruire un feedback nell'apparato di misurazione che effettuerà regolazioni continue per compensare l'azione di ritorno. È equivalente alla regolazione dell'orientamento del telescopio per mantenere il pianeta al centro.
Affinché ciò funzioni, l'apparecchio di misurazione deve raccogliere i dati più velocemente della velocità con cui il sistema subisce un cambiamento significativo, e deve farlo con efficienza quasi perfetta. "Essenzialmente tutte le informazioni che escono dal sistema e vengono assorbite dall'ambiente devono passare attraverso l'apparato di misurazione ed essere registrate", ha detto Devoret. Nell'analogia astronomica, il pianeta dovrebbe essere illuminato solo dalla luce proveniente dall'osservatorio, che in qualche modo raccoglierà anche tutta la luce che viene riemessa.
Raggiungere questo livello di controllo e acquisizione delle informazioni è molto impegnativo. Ecco perché, anche se il QTT esiste da un paio di decenni, "è solo negli ultimi cinque anni che possiamo testarlo sperimentalmente", ha detto William Oliver del Massachusetts Institute of Technology. Minev ha sviluppato innovazioni per garantire efficienze di misurazione quantica fino al 91% e "questo fondamentale sviluppo tecnologico è ciò che ci ha permesso di trasformare la predizione in un esperimento verificabile e attuabile", ha affermato.
Con queste innovazioni, "è possibile sapere in ogni momento dove si trova il sistema, data la sua recente storia passata, anche se alcune caratteristiche del movimento sono rese imprevedibili a lungo termine", ha detto Devoret. Inoltre, questa conoscenza quasi completa di come il sistema cambia gradualmente nel tempo consente ai ricercatori di "riavvolgere il nastro" ed evitare il "collasso della funzione d'onda" apparentemente irreversibile del formalismo quantistico standard. È così che i ricercatori sono stati in grado di invertire un salto quantico a midflight.
QTT, tuttavia, può prendere in considerazione l'azione posteriore. Il problema è che per applicare il QTT è necessario avere una conoscenza quasi completa del comportamento del sistema che si sta osservando. Normalmente, l'osservazione di un sistema quantistico trascura molte informazioni potenzialmente disponibili: alcuni fotoni emessi si perdono nel loro ambiente, per esempio. Ma se praticamente tutto è misurato e conosciuto sul sistema - incluse le conseguenze casuali della retroazione - allora puoi costruire un feedback nell'apparato di misurazione che effettuerà regolazioni continue per compensare l'azione di ritorno. È equivalente alla regolazione dell'orientamento del telescopio per mantenere il pianeta al centro.
Affinché ciò funzioni, l'apparecchio di misurazione deve raccogliere i dati più velocemente della velocità con cui il sistema subisce un cambiamento significativo, e deve farlo con efficienza quasi perfetta. "Essenzialmente tutte le informazioni che escono dal sistema e vengono assorbite dall'ambiente devono passare attraverso l'apparato di misurazione ed essere registrate", ha detto Devoret. Nell'analogia astronomica, il pianeta dovrebbe essere illuminato solo dalla luce proveniente dall'osservatorio, che in qualche modo raccoglierà anche tutta la luce che viene riemessa.
Raggiungere questo livello di controllo e acquisizione delle informazioni è molto impegnativo. Ecco perché, anche se il QTT esiste da un paio di decenni, "è solo negli ultimi cinque anni che possiamo testarlo sperimentalmente", ha detto William Oliver del Massachusetts Institute of Technology. Minev ha sviluppato innovazioni per garantire efficienze di misurazione quantica fino al 91% e "questo fondamentale sviluppo tecnologico è ciò che ci ha permesso di trasformare la predizione in un esperimento verificabile e attuabile", ha affermato.
Con queste innovazioni, "è possibile sapere in ogni momento dove si trova il sistema, data la sua recente storia passata, anche se alcune caratteristiche del movimento sono rese imprevedibili a lungo termine", ha detto Devoret. Inoltre, questa conoscenza quasi completa di come il sistema cambia gradualmente nel tempo consente ai ricercatori di "riavvolgere il nastro" ed evitare il "collasso della funzione d'onda" apparentemente irreversibile del formalismo quantistico standard. È così che i ricercatori sono stati in grado di invertire un salto quantico a midflight.
L'eccellente accordo tra le previsioni del QTT e i risultati sperimentali suggerisce qualcosa di più profondo del semplice fatto che la teoria funzioni per singoli sistemi quantistici. Significa che l'altamente astratta "traiettoria quantistica" a cui la teoria fa riferimento (un termine coniato negli anni '90 dal fisico Howard Carmichael, coautore del giornale Yale) è un'entità significativa - nelle parole di Minev, può essere attribuita una laurea della realtà. "Ciò contrasta con la visione comune quando il QTT fu introdotto per la prima volta, il che sostenne che si trattava solo di uno strumento matematico senza un chiaro significato fisico".
Ma cos'è esattamente questa traiettoria? Una cosa è chiara: non è come una traiettoria classica, cioè un percorso preso nello spazio. È più simile al percorso intrapreso attraverso lo spazio astratto di possibili stati che il sistema potrebbe avere, che è chiamato spazio di Hilbert. Nella teoria quantistica tradizionale, quel percorso è descritto dalla funzione d'onda dell'equazione di Schrödinger. Ma in modo cruciale, il QTT può anche affrontare il modo in cui le misurazioni influenzano quel percorso, che l'equazione di Schrödinger non può fare. In effetti, la teoria utilizza osservazioni accurate e complete sul modo in cui il sistema si è comportato finora per prevedere cosa farà in futuro.
Si potrebbe paragonarlo vagamente alla previsione della traiettoria di una singola molecola d'aria. L'equazione di Schrödinger ha un ruolo un po' come l'equazione di diffusione classica, che prevede quanto in media tale particella viaggia nel tempo mentre subisce collisioni. Ma QTT prevede dove andrà una particella specifica, basando la sua previsione su informazioni dettagliate sulle collisioni che la particella ha già sperimentato. La casualità è ancora in gioco: non è possibile prevedere perfettamente una traiettoria in entrambi i casi. Ma QTT ti darà la storia di una particella individuale - e la capacità di vedere dove potrebbe essere diretta.
Ma cos'è esattamente questa traiettoria? Una cosa è chiara: non è come una traiettoria classica, cioè un percorso preso nello spazio. È più simile al percorso intrapreso attraverso lo spazio astratto di possibili stati che il sistema potrebbe avere, che è chiamato spazio di Hilbert. Nella teoria quantistica tradizionale, quel percorso è descritto dalla funzione d'onda dell'equazione di Schrödinger. Ma in modo cruciale, il QTT può anche affrontare il modo in cui le misurazioni influenzano quel percorso, che l'equazione di Schrödinger non può fare. In effetti, la teoria utilizza osservazioni accurate e complete sul modo in cui il sistema si è comportato finora per prevedere cosa farà in futuro.
Si potrebbe paragonarlo vagamente alla previsione della traiettoria di una singola molecola d'aria. L'equazione di Schrödinger ha un ruolo un po' come l'equazione di diffusione classica, che prevede quanto in media tale particella viaggia nel tempo mentre subisce collisioni. Ma QTT prevede dove andrà una particella specifica, basando la sua previsione su informazioni dettagliate sulle collisioni che la particella ha già sperimentato. La casualità è ancora in gioco: non è possibile prevedere perfettamente una traiettoria in entrambi i casi. Ma QTT ti darà la storia di una particella individuale - e la capacità di vedere dove potrebbe essere diretta.
Fonte: Quanta Magazine
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