La fisica quantistica sovrappone passato e futuro

Nel 1935, il fisico austriaco Erwin Schrödinger mise un gatto in una scatola con una fiala di veleno e uno strumento per misurare il decadimento degli atomi (in altre parole: la radioattività). Data la sua indole perversa, Schrödinger sistemò la scatola in modo tale che, non appena lo strumento avesse registrato un singolo atomo in decadimento, una leva avrebbe rotto la fiala, rilasciando il veleno e uccidendo il gatto.

Secondo Schrödinger, una volta che il gatto è rimasto dentro la scatola per un certo lasso di tempo, diventa impossibile sapere se la bestiola sia viva o morta senza guardare. In questo senso, nel senso della fisica quantistica, il gatto è sia morto che vivo—questo stato contraddittorio, in cui il gatto è sia vivo che morto, collassa in una realtà in cui il gatto è vivo oppure morto, finché l'osservatore non apre la scatola per controllare.

Ovviamente, nessun gatto è stato messo davvero in pericolo negli esperimenti di Schrödinger. Era pura teoria, per dimostrare un principio fondamentale della meccanica quantistica noto come principio di sovrapposizione, secondo cui per un oggetto quantistico è possibile esistere in due stati apparentemente incompatibili allo stesso tempo. Di recente, un team internazionale di fisici ha preso il principio della sovrapposizione e lo ha applicato a una serie di eventi ordinati—prima e dopo, prima e dopo—un progresso che potrebbe rivelarsi estremamente importante da un punto di vista pratico nella sfida per la costruzione di computer quantistici in grande scala.

Siamo abituati a pensare che gli eventi succedano in un ordine definito causale, per cui l'evento A causa l'evento B; ma, come spiega il team di fisici in un articolo pubblicato su The New Journal of Physics, è possibile che gli eventi non abbiano un singolo ordine definito, il che significa che "A prima di B" e "B prima di A" capitano allo stesso tempo.

"La teoria quantistica ha scosso la nostra interpretazione della realtà dicendoci che i sistemi fisici potrebbero non avere proprietà ben definite," ha detto a Phys.org Cyril Branciard, co-autore dello studio, che lavora al CNRS e alla Universite Grenoble Alpes. "Ora scopriamo che non sono solo le proprietà fisiche, ma anche le relazioni causali (o ordini causali) ad essere indefinite, e in grado di essere messe in una sorta di sovrapposizione—un fenomeno che è stato osservato per via empirica solo di recente."

Lo studio ha introdotto un test per questo fenomeno, che è noto come non separabilità causale, per dimostrarne la presenza in un interruttore quantistico, considerato un metodo per migliorare l'efficienza dei computer quantistici. (Il modo migliore per concettualizzare un interruttore quantistico è pensare a un normale interruttore, che può essere acceso o spento, mentre un interruttore quantistico può trovarsi in una sovrapposizione di stati per cui è sia acceso che spento). Hanno chiamato il loro test il "testimone causale," un algoritmo matematico che può essere utilizzato per rilevare la non separabilità quantistica nelle matrici di un dato programma per computer.

È importante dire che la non separabilità causale non è uguale alla disuguaglianza causale. Nel secondo caso, gli eventi futuri causano gli eventi passati, cosa che, per il momento, resta impossibile; nel primo caso, gli eventi semplicemente non seguono un ordine definito—in altre parole, non ci sono futuro o passato definiti nell'interruttore quantistico, cosa che permette la sovrapposizione degli eventi.

Il fatto che gli eventi possano essere sovrapposti potrebbe comportare miglioramenti significativi nell'efficienza dei computer quantistici. Prima dell'avvento dell'interruttore quantistico, le operazioni in un computer quantistico dovevano essere elaborate in un ordine definito: "A poi B" oppure "B poi A." Ma per certe necessità, cambiare l'ordine delle operazioni potrebbe dare risultati migliori.

Senza un interruttore quantistico, per determinare se sia più efficiente "A poi B" o "B poi A," un computer deve svolgere entrambe le azioni e poi paragonarle. Con un interruttore quantistico, le azioni sono eseguite contemporaneamente, e l'ordine più efficiente è selezionato.

"In generale, mi aspetto che i processi non separabili causalmente trovino applicazione in diverse situazioni—così come l'entanglement si è dimostrato utile per diverse applicazioni nell'elaborazione delle informazioni quantistiche," ha detto Branciard. "Il pieno potenziale della non separabilità causale deve ancora essere compreso, il che rende questo settore di ricerca particolarmente eccitante."