Effetto Zenone Quantistico in un qubit superconduttore

Il filosofo greco Zenone di Elea pose alcune questioni filosofiche conosciute come i paradossi di Zenone. Una di queste è il paradosso della feccia la cui spiegazione semplificata dice che perchè avvenga il movimento, un oggetto deve cambiare di posizione, come una freccia che vola verso il bersaglio, ma ad ogni istante essa sarà immobile e dato che, come dice Zenone, il tempo è composto di una sequenza di tali istanti, il moto della freccia sarà impossibile. Questo paradosso è importante per comprendere la natura fondamentale del moto e del tempo e quindi per la fisica fondamentale.

La dinamica quantistica Zenone
Nella dinamica quantistica di Zenone, la velocità di decoerenza di uno stato quantistico può essere incrementata o decrementata in base all’accoppiamento del sistema con l’ambiente. Quando l’evoluzione temporale (o decadimento di uno stato quantistico) è congelata, si parla di effetto Zenone. Una velocità di decadimento aumentata è detta anti-effetto Zenone, perchè invece di “congelare” lo stato quantistico nel tempo, ne accelera l’evoluzione temporale. Le misure frequenti altereranno il come uno stato quantistico, tipo un qubit, interagirà con l’ambiente, permettendo essenzialmente il controllo dell’evoluzione quantistica con interazioni ambientali regolabili. Certi schemi di accoppiamento di un sistema quantistico con l’ambiente vengono detti “quasi-misurazioni”, dato che l’interazione non trasmette necessariamente informazione sullo stato del sistema quantistico, evidenziando che l’effetto non è necessariamente antitetico alla classica descrizione della decoerenza quantistica.

Il 14 giugno 2017, dei fisici su Physical Review Letters, hanno descritto l’osservazione di quasi-misurazioni che hanno prodotto effetto Zenone quantistico. Hanno usato un qubit accoppiato ad un bagno termico per produrre tempi di decadimenti aumentati e diminuiti. I ricercatori hanno mostrato che modificando la frequenza e il tipo di interazione del qubit con una fonte di rumore, è possibile arrestare l’evoluzione del sistema, fermandone la decoerenza o decadimento o accelerandola. L’ultimo esperimento è stato un primo caso, perchè “mentre gli effetti Zenone o più genericamente le dinamiche Zenone sono state studiate con qubits superconduttivi, l’effetto anti-Zenone non è stato studiato a livello di un sistema quantistico singolo”.

L’effetto Zenone ha una rilevanza che va oltre la computazione quantistica?

Oltre alla potenziale applicazione e implicazione nella computazione quantistica, i ricercatori della Resonance Science Foundation stanno valutando i risultati per le potenziali implicazioni nella comprensione dello stato ordinato e coerente dei sistemi biologici. Come le misurazioni quantistiche vengono utilizzate per stabilizzare lo stato fragile del qubit artificiale, simili meccanismi potrebbero essere presenti nella stabilizzazione dei qubit naturali nei sistemi biologici. Per esempio, l’effetto Zenone quantistico può essere considerato nel valutare la presenza di processamento non-classica di informazione in ambienti a forte interazione come la cellula. Il processamento di informazione che coinvolge correlazione quantistica (entanglement) o interazione nonlocale, è stato largamente escluso, perchè si presume un eccessivo disturbo termico nei sistemi biologici.

Tale presunzione, tuttavia, può essere problematica o errata, perchè le strutture molecolari del sistema biologico sono disposte in modo molto ordinato e contengono nuove forme di materia specializzate dalla selezione naturale lungo miliardi di anni. Non è esagerato immaginare che nuove forme molecolari che capitalizzano sulle proprietà intrinseche della natura, come le dinamiche dell’informazione quantistica, avranno un vantaggio immediato, migliorata efficienza di fotosintesi e metabolismo, maggior sensibilità ambientale, memoria, risposta e maggior capacità cognitiva forse. Come tali, le biomolecole possono non essere confrontabili con la “semplice materia”, spesso quanti individuali come fotoni liberi ed elettroni, usati negli esperimenti dove vengono osservati fenomeni quantistici. Gli insiemi supramolecolari biologici della cellula, sono uno stato speciale della materia. Il grande numero di unità interagenti può permettere un certo livello di attività quantistica incrementata (“quantumness”), invece che agire da fonte di decoerenza.

Per esempio, nuovi sviluppi come la discordia quantistica mostrano che la “quantumness” delle correlazioni può essere variabile e presente in certi stati misti, ovvero le correlazioni quantistiche esistenti ma non necessariamente identiche all’entanglement. Riguardo alla troppo alta temperatra dei sistemi biologici, una condizione che si suppone inibire la coerenza, è stato mostrato che per una coppia di qubit in contatto con una fonte ambientale di decoerenza, come un bagno termico, la forza delle correlazioni può incrementare con l’incremento della temperatura. Questo ci porta all’effetto Zenone quantistico, dove misurazioni in rapida sucessione possono prolungare lo stato di coerenza quantistica. Questa è una situazione paradossale, perchè le misurazioni dovrebbero, si suppone, essere agenti di decoerenza e decadimento degli stati quantistici, ma l’aumento di interazione può fare l’opposto. A questo punto ci chiediamo se la frequente interazione/comunicazione dei componenti degli insiemi supramolecolari nei sistemi biologici, possa prolungare e migliorare i tempi di sopravvivenza degli stati di forte accoppiamento e coerenza.

Gli insiemi supramolecolari includono la membrana plasmatica, i mitocondri, il DNA e i microtubuli. I mitocondri e i microtubuli possono teoricamente funzionare come cavità quanto-elettrodinamiche, dove le interazioni tra luce, acqua ordinata a livello atomico e i momenti di dipolo elettrico, possono formare stati di coerenza quantistica per il trasferimento solitonico di energia (privo di dissipazione) e per il teletrasporto quantistico.
Mitocondri e microtubuli, in stretta associazione, formano reti dendritiche in cui l’emissione di fotoni coerenti può essere canalizzata attraverso la cellula. I fotoni coerenti modulano le proprietà elettroniche delle biomolecole e meccanismi di tipo QED che possono essere usati per conservare olograficamente informazione e casuare risposte fisiochimiche nel sistema cellulare. Questo sistema viene chiamato rete olografica di informazione della matrice reticolare mitocondriale. Le reti intercellulari sono formate da gap junctions e nanotubi, questi ultimi contengono mitocondri filamentosi e microtubuli che possono collegare numerose cellule, permettere la trasmissione e il processamento di informazione. La coerenza quantistica e i fenomeni nonlocali possono permettere al sistema cellulare di eseguire processamento parallelo, utile per la grande sinergia organizzativa del sistema biologico.

effetto zenone

Effetto Zenone, biologia quantistica e geometria dello spaziotempo, un quadro unificato

Come viene spiegato nel manoscritto Unified Spacememory Network, la nonlocalità è il risultato della geometria dello spaziotempo, quindi l’entanglement è la manifestazione di una architettura spaziotemporale multi-connessa o una rete di micro-wormhole nella scala di Planck. Questa geometria (schiuma quantistica) rappresenta come un iperspazio, composta da informazione risultante da una comunicazione quasi-istantanea di tutti i contesti nei domini dello spazio e del tempo. L’interazione lungo questa rete transtemporale e nonlocale è un modo in cui la memoria, registrata nelle connessioni per entanglement, viene prodotta e da qui nasce il termine “rete dello spaziomemoria”.

Tutto questo ha implicazioni fondamentali per la relazione tra entanglement e processi quantistici nei sistemi biologici. Nello specifico, l’entanglement necessariamente risulta dalla geometria spaziotemporale sottostante, quindi ogni tale processo allaccia funzioni del sistema biologico con funzioni della rete di informazione nello spaziomemoria. Tutti gli esperimenti che fanno avanzare la nostra comprensione dell’entanglement quantistico e altri fenomeni nonlocali, come le dinamiche Zeno con i qubit, sono importanti per capire come la natura possa utilizzare tali dinamiche in particolare nei sistemi biologici. Mentre considerazioni teoriche sui fenomeni quantistici nei sistemi biologici rimangono controverse, il vero test per queste idee saranno gli esperimenti e i ricercatori della Resonance Science Foundation stanno ideando protocolli per verificare proprio questo scambio di informazione con la rete dello spaziomemoria.

William Brown
resonance.is

Effetto Zenone Quantistico in un qubit superconduttore ultima modifica: 2017-07-11T17:51:21+00:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)