La sovrapposizione quantistica È un concetto che si sente sempre più parlare. Questa proprietà della natura viene utilizzata nei semi dei computer quantistici, del teletrasporto quantistico e dell’Internet quantistica. Tuttavia, ci sono molte persone che non conoscono bene la sovrapposizione quantistica e a loro sembra cinese.
In questo articolo ti diremo cos'è la sovrapposizione quantistica, le sue caratteristiche e la sua importanza.
Cos'è la sovrapposizione quantistica
La sovrapposizione quantistica è un principio fondamentale della meccanica quantistica esprime l'esistenza simultanea di un sistema fisico, come un elettrone, in tutti i suoi possibili stati teorici. Quando osservato, può solo "collassare" in una di queste configurazioni. Questo "congelamento" è casuale ma si basa sulle leggi della probabilità.
Un modo per comprendere la sovrapposizione quantistica, almeno in modo semplificato, è pensare che una particella può trovarsi in due stati eccitati contemporaneamente, ma una volta osservata ne rivela solo uno. Pertanto, la sovrapposizione è ampiamente utilizzata nell'informatica quantistica. Un “qubit” o qubit può assumere entrambi i valori 0 e 1; a differenza di un bit, un bit deve essere 0 o 1.
Questo stato di sovrapposizione quantistica è il risultato di una proposta teorica del duca francese Louis de Broglie, che nel 1924 propose che gli elettroni non sono particelle ma onde. Cioè, gli elettroni non sono "palle" di materia con interazioni classiche (come le collisioni tra palle da biliardo), ma onde che viaggiano attraverso lo spazio. Questo è reale.
Sovrapposizione quantistica di elettroni
Se immaginiamo gli elettroni come “palle”, la somma dell’uno più l’altra ci dà una falsa idea di come si comporta la materia perché li immaginiamo impilati come palline. Alcuni sono sopra, altri sotto e altri ai lati. Tuttavia, la materia non funziona in questo modo a livello quantistico, ma solo a livello macroscopico. Questo è nostro.
Da allora il fenomeno della sovrapposizione quantistica è più facile da comprendere l’idea che la materia si comporti come onde. A differenza della materia, le onde possono sovrapporsi. A livello quantistico, la materia si comporta come onde e accade qualcosa di interessante: le materie possono "sommarsi" tra loro.
Un'interessante analogia può essere osservata in natura. L'immagine seguente mostra le increspature lasciate dalle gocce d'acqua sulla superficie dell'acqua. È un'onda circolare che si propaga lungo una superficie. Chiunque abbia mai gettato un sasso in un lago lo sa. In linea di principio, ogni onda è indipendente.
Tuttavia, la sovrapposizione delle onde si verifica ogni volta che due onde coincidono. Cioè, aggiungi o sottrai le loro grandezze. Quando le due creste si incontrano, l'acqua sale molto in alto. Dove ci sono due valli vediamo delle depressioni. Se i picchi coincidono con le valli la somma delle onde risulterà in cancellazione.
Onde e sovrapposizione quantistica
Se gli elettroni sono onde che si muovono nello spazio, le loro onde possono fare cose simili a ciò che appare nell’acqua. Il fenomeno è molto più complicato, ma ecco un modo per semplificarlo. Ma la domanda che preoccupa molti è: dove sono gli elettroni?
Secondo le leggi della meccanica quantistica, la sovrapposizione quantistica può verificarsi finché le particelle non vengono osservate. Quindi la funzione d'onda (quella che descrive la probabilità che una particella abbia uno stato o un altro, che è il modo in cui rappresentiamo i sistemi di particelle) collassa o viene definita come una funzione d'onda più specifica.
Sebbene non sia del tutto corretta, è possibile utilizzare la seguente analogia. Un palloncino ad elio galleggia in una stanza buia. Primo, è impossibile sapere esattamente dove si trova il pallone perché ci sono flussi d'aria molto complicati che spostano il pallone da una parte all'altra. È possibile determinare la probabilità che il palloncino si trovi in un posto o nell'altro. Questa è la sua funzione d'onda.
Come fai a sapere dov'è adesso? Come far "collassare" la funzione d'onda? Un esperimento che si può fare è lanciare le freccette. Se il dardo va dove non c'è il palloncino, non sentiamo alcun suono. Tuttavia, se il dardo attraversa il pallone, si sente un'esplosione. La conclusione è: il palloncino determinerà la sua posizione indipendentemente dal fatto che il dardo lo colpisca o meno. Cioè, "crollerà" in senso fisico e rivelerà dove si trova.
Sebbene non sia un'analogia perfetta, l'esempio del palloncino aiuta a capire come gli elettroni possono essere distribuiti contemporaneamente in una determinata regione dello spazio e come solo guardandolo puoi capire di cosa si tratta.
Utilità oggi
Se questa proprietà è così interessante è perché potrebbe essere utilizzata per costruire computer quantistici. Nel 2016, un team di ricercatori ha sfruttato le proprietà quantistiche della materia, compresi gli stati di sovrapposizione, per consentire la trasmissione di informazioni a lunga distanza.
In 2017, un'altra squadra ha teletrasportato con successo uno stato quantico tra due nodi collegati. Nel 2022, un gruppo di ricercatori è riuscito a teletrasportare uno stato quantistico tra due nodi disconnessi grazie al fatto che i nodi di Alice, Bob e Charlie erano collegati uno per uno. Attraverso questi esperimenti è possibile costruire un Internet più affidabile
Attualmente, gli scienziati stanno esplorando modi per sfruttare questa proprietà per risolvere problemi che sarebbero molto difficili o addirittura impossibili da affrontare con i computer classici. In un computer quantistico, i bit classici (0 o 1) sono sostituiti dai qubit, che possono sovrapporsi, il che significa che possono rappresentare 0 e 1 contemporaneamente. Ciò consente al computer quantistico di esplorare più soluzioni contemporaneamente, offrendo un enorme potenziale per la risoluzione di problemi complessi in aree quali la crittografia, la simulazione dei materiali e l’ottimizzazione.
Un’altra applicazione interessante è la comunicazione quantistica sicura. Grazie alla proprietà della sovrapposizione quantistica, qualsiasi tentativo di interferire con le informazioni trasmesse viene immediatamente rilevato, il che potrebbe portare a sistemi di comunicazione praticamente impenetrabili e garantire la riservatezza delle informazioni.
Spero che con queste informazioni tu possa imparare di più sulla sovrapposizione quantistica, sulle sue caratteristiche e utilità.