Realizzato un ibrido tra luce classica e quantistica

Luce intrecciata: da una parte una particella di luce, dall'altra un’onda

Ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr di Firenze hanno realizzato per la prima volta in laboratorio un nuovo stato della luce in cui due impulsi luminosi sono indissolubilmente legati, equivalente ottico del paradosso noto come ‘gatto di Schrödinger’. La ricerca, pubblicata su Nature Photonics, consentirà di capire meglio il confine tra fisica classica e quantistica, e apre a una futura rete di comunicazioni e computer dalle prestazioni inimmaginabili

Perché alcune delle strane proprietà che valgono nell’infinitamente piccolo, quale la possibilità che una particella si trovi contemporaneamente in più stati diversi (ad esempio, avendo allo stesso tempo due colori o due posizioni distinte), non si ritrovano anche negli oggetti macroscopici di tutti i giorni? Un esperimento realizzato dall’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) di Firenze e del Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare dell’Università di Firenze (Lens) ha dimostrato per la prima volta sperimentalmente la produzione di uno stato di luce ibrido in cui un fotone, la particella fondamentale della luce, è sia presente che assente e un debole impulso laser ha contemporaneamente due fasi opposte. Lo studio, guidato da Marco Bellini e Alessandro Zavatta, col supporto di colleghi teorici coreani e australiani delle Università di Seoul e del Queensland, è descritto su 'Nature Photonics'.

“In realtà, la meccanica quantistica non vieta tali possibilità, ed Erwin Schrödinger illustrò le paradossali implicazioni della teoria con la storia di un gatto chiuso in un contenitore ermetico assieme a un atomo radioattivo e a una fialetta di veleno”, racconta Marco Bellini dell’Ino-Cnr. “Con una probabilità del 50%, l’atomo potrebbe decadere, emettendo una particella radioattiva che romperebbe la fiala ed ucciderebbe il gatto. Secondo le regole della fisica quantistica, l’atomo potrebbe però trovarsi anche in una situazione intermedia, in cui è contemporaneamente decaduto e no, la fiala di veleno è sia rotta che intera, e il povero gatto in uno strano stato sospeso, vivo e morto allo stesso tempo”.

Gli amanti dei felini possono comunque stare tranquilli: nessuno si è mai neanche avvicinato a una situazione del genere. “Quello che per la prima volta abbiamo dimostrato sperimentalmente è la produzione di un cosiddetto stato di luce ‘entangled’ ibrido classico-quantistico, analogo ottico della condizione ‘intrecciata’ dell’atomo ‘quantistico’ e del gatto ‘classico’ nella scatola”, conclude Bellini. “Nel nostro caso, il ruolo dell’atomo è sostenuto da un singolo fotone, la particella fondamentale della luce, quello del gatto da un debole impulso di luce laser. Se il fotone è presente, l’impulso di luce ha una determinata fase, mentre se il fotone è assente, ha la fase opposta, cioè i ‘picchi’ e le ‘valli’ dell’oscillazione del suo campo elettromagnetico sono scambiati. Come nel paradosso del gatto, finché la ‘scatola’ non viene aperta, cioè finché non viene effettuata una misura che costringa il sistema a decidere, le due alternative sono entrambe vere allo stesso tempo: il fotone è sia presente che assente e, corrispondentemente, il debole impulso luminoso ha due fasi opposte, in uno stato ‘intrecciato’ analogo a quello descritto da Schrödinger”.

La ricerca permetterà di capire meglio perché è così difficile trovare oggetti macroscopici in questi ‘strani’ stati sovrapposti e a quale livello le previsioni della meccanica quantistica smettano quindi di funzionare. Inoltre, la prima realizzazione di uno stato di luce così particolare consentirà di mettere a punto i pezzi fondamentali (ripetitori, memorie e interfacce) di una futura rete di comunicazioni e computer quantistici, dalle prestazioni ancora inimmaginabili.