Il cameriere e la fisica quantistica
Grazie alla scoperta di un gruppo di ricercatori pisani dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) dell’Università e del Nest della Scuola Normale i controlli sui sistemi di molecole, atomi e particelle, che sono studiati dalla fisica quantistica, saranno più efficienti, con applicazioni pratiche anche sulla nostra vita quotidiana futura. La ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Nature Physics.
Nella fisica quantistica, per sutdiare il comportamento di alcune particelle, è necessario segirle in maniera precisa e rapida. Questo problema assomiglia a quello del cameriere, spiega Oliver Morsch, primo ricercatore dell’Ino-Cnr e autore del lavoro.“Un cameriere che deve portare un vassoio di bicchieri al tavolo di un cliente ha due scopi: farlo il più presto possibile e senza versare le bibite”.
Il ricercatore continua spiegando il parallelo: “Una possibile strategia sarebbe portare il vassoio molto lentamente, tenendolo rigorosamente orizzontale in modo da non agitare le bibite, ma un bravo cameriere inclinerà il vassoio in maniera opportuna mentre cammina a passo sostenuto”, prosegue Morsch. “Nel linguaggio della fisica quantistica, il primo approccio si chiama ‘adiabatico’ e consiste nell’effettuare il controllo dell’oggetto molto lentamente. Il secondo, chiamato‘superadiabatico’, permette invece di accelerare il controllo in modo considerevole”.
Realizzando tali protocolli in un sistema, composto da un gas di atomi molto freddi dentro dei cristalli artificiali prodotti con la luce laser, i ricercatori di Pisa hanno dimostrato da un lato che la strategia del ‘bravo cameriere’ può essere applicata al mondo quantistico e dall’altro che essa non viene alterata da eventuali variazioni del percorso. “Tale caratteristica è cruciale in applicazioni realistiche della fisica quantistica, visto che gli stati quantistici, cioè le rappresentazioni matematiche di un sistema quantistico come un atomo o una molecola, sono molto fragili e vengono facilmente perturbati da campi elettrici o magnetici presenti praticamente ovunque”, afferma il ricercatore Ino-Cnr. “La realizzazione sperimentale di protocolli superadiabatici, quindi, è un passo importante nella ricerca del miglior controllo quantistico possibile”.
La scoperta potrebbe avere ricadute innovative e di grande importanza in vari rami della fisica: “Per esempio, nella risonanza magnetica bisogna controllare la direzione in cui punta lo spin nucleare delle molecole, che serve a descrivere lo stato delle particelle che costituiscono il nucleo dell’atomo ed è paragonabile all’ago magnetico di una bussola”, conclude Morsch. “Nelle tecnologie informatiche del futuro, invece, tali spin potranno essere utilizzati per creare dei bits quantistici, detti ‘qubits’, ovvero le unità d’informazione dei computer quantistici (mentre i bit sono le unità d’informazione dei computer classici), che permetteranno di fare calcoli complessi in tempi molto più rapidi di quelli raggiungibili con i computer di oggi”.
