Le proprietà dei Qbit: Interferenza

Nell’esperimento condotto nel capitolo precedente abbiamo visto come porre un Qbit in uno stato di superposition utilizzando un operatore chiamato Hadamard Gate.

Se volessimo tentare un’analogia con il mondo classico potremmo equiparare il Qbit ad una moneta (potremmo ad esempio stabilire che 0 = “testa”, 1=”croce”) e la porta di Hadamard ad un dispositivo che lanci in aria la moneta facendola roteare. La caduta a terra della moneta rappresenta la sua misura o osservazione.

Nel primo esperimento la moneta è stata collocata nel dispositivo di lancio sempre nella posizione di “testa” e poi lanciata per oltre ottomila volte in aria. Come previsto, per circa il 50% delle volte è caduta in terra nello stato di “testa” e per circa il 50% delle volte nello stato di “croce”.

Ripetendo l’esperimento ponendo la moneta per oltre ottomila volte nel dispositivo di lancio sempre nella posizione di “croce” il risultato finale non è cambiato. Le osservazioni a terra sono state: 50% “testa” e 50% “croce”.

Un Qbit si comporta in questo caso come una moneta, con lo stesso tipo di comportamento probabilistico di tipo classico.

Immaginiamo ora di condurre un esperimento leggermente diverso, che fa uso di un doppio lancio. Collochiamo cioè la moneta nel dispositivo ed effettuiamo un primo lancio, avendo però cura di far cadere la moneta sullo stesso dispositivo di lancio e senza guardare facciamo scattare subito un secondo lancio lasciando questa volta cadere la moneta a terra in modo da osservare il suo stato.

Supponiamo di ripetere l’esperimento per 8.000 volte dapprima collocando la moneta sempre nello stato di “testa” e poi altre 8.000 volte partendo dallo stato di “croce”.

Effettuando l’esperimento con una vera moneta molto probabilmente otterremo una distribuzione 50% “testa” e 50% “croce” sia partendo dallo stato “testa” che da quello di “croce”. Nel mondo della fisica classica, il fatto di avere effettuato due lanci consecutivi prima di osservare il risultato non altera la distribuzione finale delle probabilità, anche perché qualunque sia lo stato (da noi non osservato) con cui la moneta è caduta nuovamente nel dispositivo, il secondo lancio, sia partendo da testa che da croce, produce comunque un risultato casuale con equiprobabilità di ottenere uno dei due stati.

Rispettando l’analogia, se dopo aver applicato la prima porta di Hadamard, che equivale a lanciare in aria la moneta, anziché misurare lo stato, applichiamo una seconda porta di Hadamard, che quindi equivarrebbe a lanciare in aria una seconda volta la moneta, e solo a questo punto effettuiamo la misura, il nostro senso comune ci dice che non dovremmo rilevare differenze rispetto al caso in cui applichiamo una sola volta l’operatore di Hadamard, così come non osserviamo differenze tra un singolo lancio di una moneta e un doppio lancio consecutivo.

In realtà l’analogia non è corretta. Quando la moneta dopo il primo lancio ricade nel dispositivo di lancio noi abbiamo scelto di non guardare il suo stato ed eseguire subito un secondo lancio. Per ciò che riguarda la nostra conoscenza, tra il primo e il secondo lancio la moneta potrebbe trovarsi al 50% in uno dei due stati. Questo può sembrare simile allo stato di superposition, ma non è così. La moneta è in uno stato preciso ma semplicemente noi non lo conosciamo. La natura probabilistica in questo caso è solo relativa alla nostra conoscenza del fenomeno.

Quando il Qbit esce dalla prima porta di Hadamard ed entra nella seconda porta di Hadamard si trova realmente nello stato di superposition. Questo è uno stato fisico che possiede entrambe le caratteristiche dei due stati 0 e 1, non si trova in uno stato determinato ma a noi ignoto, si trova realmente in una combinazione di due stati. Nell’applicazione del secondo operatore di Hadamard la presenza contemporanea dei due stati che compongono la condizione di superposition crea un fenomeno chiamato interferenza e il risultato dell’esperimento quantistico è ben diverso dal risultato dell’esperimento della fisica classica della moneta, come vedremo nel video che segue.