I fisici producono la versione quantica del gatto del Cheshire

Splitsville. La configurazione di base per l'esperimento in cui un neutrone segue un percorso e il suo magnetismo un altro.

Nel famoso romanzo per bambini di Lewis Carroll Le avventure di alice nel paese delle meraviglie Alice incontra il gatto del Cheshire, che scompare e lascia solo il suo sorriso. Ora, i fisici hanno creato una versione quantica del felino separando un oggetto - un neutrone - dalla sua proprietà fisica - il suo magnetismo. L'esperimento è l'ultimo esempio di come la meccanica quantistica diventa ancora più strana usando una tecnica chiamata misurazione debole e potrebbe fornire ai ricercatori uno strano nuovo strumento sperimentale per eseguire misurazioni di precisione.

Nella fisica quantistica, le particelle minuscole possono essere in condizioni o stati opposti allo stesso tempo, una proprietà nota come sovrapposizione. Ad esempio, un elettrone può letteralmente girare in direzioni opposte contemporaneamente. Prova a misurare lo spin, tuttavia, e quello stato "collasserà" in modo che l'elettrone venga trovato ruotato in un modo o nell'altro. Questo perché la teoria dei quanti in genere vieta di misurare lo stato di una particella senza alterarla, almeno normalmente.

Ma nel 1988, Yakir Aharonov, un teorico dell'Università di Tel Aviv in Israele, e colleghi hanno immaginato un modo per misurare gli stati quantici delicati senza disturbarli attraverso le cosiddette misurazioni deboli. C'è un prezzo da pagare, ovviamente. Una misurazione debole non può rivelare nulla su una singola particella, ma solo il comportamento di molte particelle tutte nello stesso stato. E richiede non solo di mettere le particelle nello stato giusto per cominciare, ma anche di selezionare solo quelle in uno stato diverso specifico alla fine, quindi l'intero esperimento deve essere analizzato in modo retrospettivo. Tuttavia, misurazioni deboli possono sondare fenomeni che le misurazioni ordinarie non possono, e lo scorso novembre Aharonov e colleghi hanno descritto come potrebbero essere utilizzati per realizzare un Cheshire Cat quantico.

Ecco l'idea. Un raggio di neutroni tutto magnetizzato nella stessa direzione, per esempio, entra in un dispositivo chiamato interferometro a neutroni (vedi diagramma). Il raggio colpisce un separatore di raggi, che divide non solo il raggio macroscopico ma anche l'onda quantica che descrive ciascun neutrone. Quindi, dopo lo splitter del raggio, ogni neutrone si trova nel bizzarro stato quantico: nel percorso 1, polarizzato a destra e nel percorso 2, polarizzato a destra. Questo è lo stato "preselezionato". Dopo aver intrapreso percorsi diversi, le onde si ricombinano al secondo splitter e interferiscono tra loro in modo che i neutroni escano tutti dall'interferometro attraverso una delle due "porte", la luce.

Ora, ecco dove le cose diventano strane. Gli sperimentatori installano alcuni gadget prima del secondo divisore di raggio che funziona come un filtro in modo che se un neutrone si trova nello stato nel percorso 1, polarizzato a destra e nel percorso 2, a sinistra polarizzato -la "condizione postselected" -per uscire invece dalla porta oscura.Può sembrare superfluo, perché ogni neutrone non è in quello stato.Tuttavia, i due stati hanno una parte comune -in percorso 1, polarizzato a destra -e quella sovrapposizione assicura che alcuni neutroni emergano dalla porta oscura, solo in virtù del tentativo di filtrare questo stato post-impostato.

Se osservi solo questi eventi postelettati, puoi dire con certezza che il neutrone ha attraversato il percorso 1. Questo perché le uniche parti degli stati preselezionati e postselezionati che si sovrappongono sono quelle del percorso 1. D'altra parte, se provi per misurare il magnetismo, scoprirai che tutto il magnetismo è nel percorso 2. Questo perché per sapere che il magnetismo è lì, devi essenzialmente applicare un campo magnetico che capovolge la polarizzazione del neutrone. Quindi, dopo la misura, le parti dello stato preselezionato alterato e lo stato posteletto identici sono quelli del percorso 2.

L'interpretazione tradizionale è che l'intera argomentazione è discutibile. Se raggiungi il percorso 1 con un rilevatore di neutroni, la misurazione altera lo stato quantico originale, rendendo inutile la speculazione su ciò che avresti visto se avessi misurato il magnetismo nel percorso 2 e viceversa. Secondo la teoria di Aharonov, tuttavia, le misurazioni potrebbero essere eseguite debolmente, in modo da non alterare lo stato dei neutroni. Ed è esattamente ciò che hanno fatto Yuji Hasegawa della Vienna University of Technology e colleghi, come riportano in un articolo pubblicato sul server di stampa di arXiv.

Utilizzando un interferometro a neutroni presso l'Institut Laue-Langevin di Grenoble, in Francia, i ricercatori hanno inserito un assorbitore che assorbiva solo una piccola percentuale dei neutroni, non abbastanza da rovinare l'interferenza delle onde. Quando lo misero nel percorso 2, la velocità dei neutroni che lasciavano la porta oscura rimase la stessa. Quando lo misero nel percorso 1, il numero diminuì, dimostrando che i neutroni nello stato postselected passavano attraverso il percorso 1. Quindi, applicarono un piccolo campo magnetico per ruotare leggermente la polarizzazione dei neutroni e perturbare il modello di interferenza. Quando il campo è stato applicato al percorso 1, non ha avuto alcun effetto. Ma nel secondo percorso, il numero di neutroni che uscivano dalla porta oscura cambiò, dimostrando che il magnetismo dei neutroni era tutto nel percorso 2. Così il gatto - il neutrone - era separato dal suo ghigno - il suo magnetismo .

L'esperimento "ci aiuterà sicuramente a capire meglio la natura contro-intuitiva dei fenomeni quantici", afferma Sandu Popescu, un teorico dell'Università di Bristol nel Regno Unito che non è stato coinvolto nell'esperimento. Lo strano fenomeno quantistico potrebbe anche rivelarsi utile per ottenere misurazioni di precisione migliori, dice. Alcuni fisici hanno testato se la legge di gravità di Newton rimane corretta a distanze più brevi di un millimetro circa; i delicati esperimenti possono essere confusi da effetti elettromagnetici estranei. Ma se il ricercatore potesse dividere la massa di neutroni dal loro magnetismo, allora potrebbero essere in grado di studiare gli effetti gravitazionali senza essere disturbati da quelli elettromagnetici, dice Aephraim Steinberg, uno sperimentatore dell'Università di Toronto in Canada.

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