Il paradosso di Zenone e la fisica quantistica

Confinare la dinamica di un sistema quantistico attraverso osservazioni ripetute. E' il risultato presentato su "Nature Communications" da un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia e del Laboratorio Europeo per la Spettroscopia non Lineare (LENS), dell’Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO) e del nuovo centro di ricerca interdisciplinare Quantum Science and Technology in Arcetri (QSTAR) ("Experimental Realization of Quantum Zeno Dynamics").

“Abbiamo dimostrato sperimentalmente un effetto noto come “Quantum Zeno Dynamics”, che si ispira a uno dei famosi paradossi sul movimento del filosofo di Elea - racconta Francesco Saverio Cataliotti, associato di Fisica della materia e coordinatore del gruppo di ricerca insieme ad Augusto Smerzi del CNR - Zenone argomenta che osservando una freccia in movimento in ogni istante essa occupa una sola posizione nello spazio apparendo immobile e quindi che l’insieme di stati immobili non può corrispondere al movimento. Questa conclusione, paradossale per la fisica classica, è perfettamente logica in fisica quantistica - spiega il ricercatore - dove il processo di misura può perturbare la dinamica fino a congelarla; come già dimostrato fin dal 1990. Per maggior precisione - aggiunge Cataliotti - l’osservazione ripetuta dell’assenza di un oggetto in un determinato spazio gli impedisce di attraversarlo, permettendo di confinarne la dinamica. Fino a oggi questo fenomeno non era mai stato osservato sperimentalmente.”

“Abbiamo realizzato l’esperimento usando un gas che ci permettesse di fare misurazioni quantistiche, un condensato di Bose-Einstein di atomi di rubidio, in un atom-chip, cioè un sistema integrato per intrappolare e manipolare gli atomi. - spiega il ricercatore - Abbiamo quindi confinato la dinamica fra i cinque stati magnetici interni di questi atomi in un sottospazio a due livelli.” I ricercatori hanno applicato forti perturbazioni, che in generale vengono considerate distruttive per una dinamica quantistica coerente, dimostrando la possibilità di guidare e proteggere l’evoluzione quantistica.

“Finora questo fenomeno era stato studiato solo teoricamente - conclude il ricercatore - Questa prima dimostrazione sperimentale apre nuovi scenari sia per la ricerca di base che per nuove applicazioni tecnologiche quantistiche, in particolare per proteggere la delicata evoluzione di un sistema quantistico dall’azione distruttiva dell’ambiente circostante.”

La ricerca è stata possibile grazie ai finanziamenti dell’Unione europea -  in particolare della Commissione (progetti MALICIA e QIBEC) e del programma Marie-Curie - e del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca e al contributo dell'Ente Cassa di Risparmio di Firenze per il centro QSTAR. (sd)

La figura illustra gli elementi salienti dell'esperimento. In alto a sinistra l'atom chip. A destra lo spazio di 5 livelli nel quale si potrebbero muovere gli atomi è separato con la forte perturbazione (rappresentata dalla freccia verde) che agisce sul livello |2,0>, gli atomi sono così costretti a muoversi fra gli stati |2,1> e |2,2> realizzando l'equivalente quantistico di un bit, il cosiddetto q-bit (rappresentato dalla sfera azzurra). In basso due immagini a falsi colori degli atomi: a sinistra gli atomi non vengono perturbati e arrivano a occupare tutti e 5 i possibili stati, a destra la perturbazione li costringe a oscillare fra due soli livelli.