Le Scienze - 04.2020

34 Le Scienze 6 20 aprile 2020

O no? Nei secoli successivi, in esperimenti in cui i ricercatori
hanno fatto in modo che fosse emesso un fotone alla volta verso
la parete, è stata osservata curiosamente la stessa figura di interfe-
renza, come se una singola particella interferisse con sé stessa. An-
cora più strano, se si dispone un rivelatore accanto alle fenditure
per registrare quale fenditura attraversa ogni particella, la figura
di interferenza scompare e al suo posto sullo schermo si ottengono
due linee luminose, ovvero quello che ci si aspetterebbe se si aves-
se a che fare con particelle puntiformi, non onde: è come se l’atto
della misurazione cambiasse la natura delle particelle.
Ancora oggi l’esperimento della doppia fenditura, con la sua in-
trinseca semplicità, è uno dei più enigmatici. È stato ripetuto mol-
te volte, con particelle sia di luce sia di materia, ed evidenzia la
fondamentale stranezza della meccanica quantistica: luce e ma-
teria sono sia particelle che onde, un concetto noto come duali-
tà onda-particella. Mostra anche il principio di sovrapposizione:
le particelle possono trovarsi simultaneamente in più stati e pure
in più punti. Nell’esperimento della doppia fenditura le particel-
le non devono attraversare una fenditura o l’altra: affinché si ve-
rifichi l’interferenza, ogni particella deve attraversarle entrambe.
Per quanto famoso, questo esperimento non è stato anco-
ra esplorato fino in fondo. Di recente il mio gruppo del laborato-
rio Quantum Information and Computing del Raman Research
Institute di Bangalore, in India, ha allestito esperimenti di «tripla
fenditura» nella gamma di lunghezze d’onda delle microonde: an-
ziché due fessure ne usiamo tre. È una variante apparentemente
semplice, ma ha conseguenze profonde. Dal punto di vista teori-
co, i nostri studi sulla tripla fenditura hanno chiarito come si ap-
plica il principio di sovrapposizione in questa situazione e hanno
rivelato nuove sottigliezze alla base del fenomeno.
La nostra architettura a tripla fenditura offre anche interessan-
ti possibilità nel campo emergente dell’informatica quantistica. I
computer quantistici promettono calcoli precedentemente intrat-
tabili, se riusciremo a costruirli sfruttando la potenza della fisica
quantistica. Una delle difficoltà centrali nell’informatica quanti-
stica consiste nel trovare un modo per aumentare il numero di bit
contenuti in un computer quantistico, i cosiddetti qubit, senza di-
struggere la sovrapposizione che permette ai qubit di trovarsi con-
temporaneamente in due stati e che è la chiave per ottenere enor-
mi incrementi nella velocità di elaborazione. Mentre la maggior
parte degli addetti ai lavori sta lavorando per aumentare il numero
di qubit in un sistema, il mio laboratorio sta provando un approc-
cio alternativo, meno esplorato: usare «qudit» di dimensione supe-
riore anziché qubit bidimensionali. Usando il sistema a tripla fen-
ditura, possiamo creare qudit tridimensionali chiamati qutrit.

Il principio di sovrapposizione

La teoria quantistica descrive le particelle fondamentali non
solo come onde fisiche, ma anche in quanto determinate dalla co-
siddetta «equazione d’onda». Le soluzioni di questa equazione,
che possono essere indicate con a lettera greca psi, s, esprimono

l’ampiezza di probabilità che la particella si trovi in un particola-

re stato.

La nostra ricerca ha però rivelato un difetto nel modo in cui i

fisici hanno tradizionalmente affrontato i calcoli dell’equazione

d’onda nel caso dell’esperimento della doppia fenditura. Pensia-

mo all’esperimento classico e chiamiamo le due fenditure rispetti-

vamente A e B. Denotiamo con sA le soluzioni all’equazione d’on-

da che descrive una particella in questo sistema quando è aperta

la fenditura A e sB quando è aperta la fenditura B. Che cosa suc-

cede quando sono aperte entrambe? È pratica comune nei libri di

testo chiamare la soluzione sA + sB, per rappresentare il fatto che

la particella si trova in uno stato di sovrapposizione in cui passa

attraverso entrambe le fenditure; questa è effettivamente un’ap-

plicazione del principio di sovrapposizione, ma è incompleta. Il

motivo è semplice: la situazione con due fessure aperte contem-

poraneamente non è uguale alla combinazione di quelle con le

fessure aperte separatamente. Quando sono aperte insieme, sap-

piamo che una particella in qualche modo attraversa entrambe e Illustrazioni di Nick Bockelman

Parete con

le fenditure (dall’alto)

Luce

Cresta Ventre

Interferenza costruttiva

Interferenza distruttiva

Esperimenti

sulle fenditure

Il famoso esperimento della doppia fenditura ha fissato due dei principi

fondamentali della teoria quantistica: la dualità onda-particella – il con-

cetto che materia e luce sono sia particelle sia onde – e la sovrapposi-

zione, l’idea che le particelle possano trovarsi contemporaneamente in

più stati e posizioni. Più di recente sono state provate varianti dell’esperi-

mento con tre fenditure anziché due, aprendo la porta a nuove possibili-

tà in ambito teorico e in quello tecnologico.

ABC dell’interferenza

Le particelle che attraversano le fessure si espandono come onde.

Dove le creste di due onde colpiscono lo schermo nello stesso punto,

si sommano. Dove si incontrano una cresta e un ventre, si annullano,

formando una «figura di interferenza» in cui si alternano luce e

oscurità.

Urbasi Sinha è una fisica del Raman Research
Institute di Bangalore, in India, e membro affiliato
dell’Institute for Quantum Computing di Waterloo,
in Canada, e del Center for Quantum Information
and Quantum Control dell’Università di Toronto.
La sua ricerca riguarda l’informazione quantistica
sperimentale e l’informatica quantistica.

COME FUNZIONA