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Un laser mette Feynman alla prova dopo quasi 80 anni
Un gruppo guidato da Shi-Liang Zhu alla South China Normal University di Guangzhou ha usato una sorgente laser e un apparato di specchi, lenti e cristalli per studiare il moto di fotoni singoli. Invece di tentare di osservare una traiettoria, operazione che altererebbe lo stato quantistico, i ricercatori ne hanno ricostruito le ampiezze di probabilità. Il risultato offre la prima verifica sperimentale diretta di due postulati formulati da Richard Feynman nel 1948.
L'idea di Feynman può essere raccontata senza formule: per andare da un punto a un altro, una particella quantistica non viene descritta da una sola strada. L'integrale sui cammini somma il contributo di ogni percorso possibile; le ampiezze possono rafforzarsi oppure cancellarsi, e da questa interferenza emerge la probabilità dell'esito osservato. Il metodo è da decenni uno degli strumenti centrali della fisica teorica.
La difficoltà era accedere sperimentalmente ai contributi che la formula chiede di sommare. Il team ha diviso l'evoluzione del fotone in cinque passaggi e ha misurato per ciascuno un propagatore quantistico, cioè la funzione che descrive l'ampiezza con cui lo stato passa da una posizione e da un istante a quelli successivi. Componendo cinque propagatori su 17 posizioni intermedie, gli scienziati hanno ricostruito 1.419.857 cammini, pari a 17 elevato alla quinta.
Nello studio pubblicato su Science Advances, la somma ricavata dai dati ha riprodotto il comportamento misurato all'uscita dell'apparato. I risultati sostengono entrambi i postulati messi alla prova: le probabilità quantistiche emergono dalla superposizione coerente di tutti i percorsi, mentre ogni cammino possiede un'ampiezza dello stesso modulo e una fase determinata dall'azione classica, espressa in unità della costante di Planck ridotta.
Per chi segue la tecnologia, il passaggio interessante è la capacità di misurare e comporre direttamente oggetti matematici finora usati soprattutto nei calcoli. La tecnica potrebbe diventare un banco di prova per il controllo quantistico: applicata ad altri sistemi, permetterebbe di confrontare la loro evoluzione reale con modelli molto dettagliati, individuando dove rumore, materiali o interazioni modificano le ampiezze previste. Non si tratta, però, di un nuovo computer quantistico né di un'accelerazione immediata degli algoritmi.
La prudenza è particolarmente necessaria quando una dimostrazione fondamentale viene tradotta in promesse industriali, come mostra la nostra analisi su una scoperta quantistica poi ridimensionata. In questo caso il valore concreto sta nel metodo di misura: gli autori propongono una piattaforma generale per studiare integrali sui cammini in sistemi quantistici contemporanei, non un dispositivo pronto per il mercato.
Il test resta confinato a fotoni singoli in un apparato ottico altamente controllato e a un insieme finito, per quanto enorme, di percorsi discretizzati. Non dimostra che ogni possibile sistema complesso sia già descrivibile sperimentalmente nello stesso modo, né sostituisce le molte verifiche indirette della meccanica quantistica accumulate in decenni. Il passo successivo sarà estendere il protocollo a fotoni che attraversano materiali e a dinamiche con interazioni o decoerenza, dove rumore ed errori crescono rapidamente.
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