Come manipolare lo stato di un oggetto quantistico

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Su “Nature Physics” un esperimento che dimostra una perfetta efficienza del controllo quantistico via laser. La ricerca è frutto di una collaborazione tra il dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa e il Labratorio NEST della Scuola Normale Superiore/CNR, con la partecipazione di studiosi del CNR.

È possibile manlipolare lo stato di un oggetto? Se nella fisica classica questo è già noto, a livello nanometrico il cambiamento di stato si scontra con i limiti imposti dalla meccanica quantistica, come quello della velocità. Una ricerca appena apparsa sulla pagina web della rivista “Nature Physics” dimostra come sia possibile manipolare oggetti quantistici alla velocità massima e con un’efficienza perfetta. L’articolo é frutto di una collaborazione tra il dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa e il Laboratorio NEST-Scuola Normale Superiore/CNR, con la partecipazione di Mark Bason, Matthieu Viteau, Nicola Malossi, e Oliver Morsch dell’Istituto di Ottica del CNR, Ennio Arimondo, Donatella Ciampini e Riccardo Mannella dell’Università, Paul Huillery dottorando in cotutela dell’Università di Pisa e di Paris Sud, Rosario Fazio e Vittorio Giovannetti della Scuola Normale.

L’ingegneria quantistica prevede l’uso di uno strumento quantistico, come la radiazione emessa da un laser, per preparare singoli oggetti quantistici in uno stato ben determinato e per controllarne l’evoluzione temporale con la massima efficienza in relazione allo stato quantistico che si vuole ottenere. Questo obiettivo, che attualmente stimola numerose ricerche nell’ambito di una forte competizione internazionale, riguarda una grande varietà di sistemi studiati in fisica, chimica e biologia.

Per esempio, in una reazione chimica si richiede di produrre una particolare struttura con la massima efficienza e nel minor tempo possibile. Illuminando i reagenti con una radiazione laser opportunamente manipolata nella sua intensità e nella sua lunghezza d’onda si possono aumentare di ordini di grandezza sia la velocità del processo che la sua efficienza. In questo regime i principi fondamentali della meccanica quantistica impongono limiti molto stringenti a quello che si può pensare di realizzare in pratica: ad esempio, un cambiamento di stato quantistico ha una massima velocità a cui può essere operato, e tipicamente le manipolazioni degradano rapidamente lo stato quantistico e non consentono di arrivare al risultato desiderato con efficienza completa.

Nell’articolo oggetto della pubblicazione sono stati studiati, sia teoricamente che sperimentalmente, nuovi protocolli di manipolazione che, lavorando nel limite imposto dal principio di indeterminazione quantistica di Heisenberg, e quindi con la massima efficienza teorica possibile, consentono di raggiungere lo stato bersaglio con efficienza del 100%, pur essendo estremamente robusti rispetto a variazioni dei parametri sperimentali di controllo. Sono state quindi verificate le straordinarie possibilità associate al mondo quantistico quando l’operatore, diventando l’equivalente di quel “Dio che non gioca a dadi” invocato da Albert Einstein, impone la migliore manipolazione quantistisca in relazione allo stato bersaglio. L’esperimento sfrutta per la sua realizzazione i condensati di Bose-Einstein, protagonisti del premio Nobel in Fisica nel 2001. Essi sono degli oggetti quantistici costituiti da atomi ultrafreddi resi identici in tutte le loro proprietà attraverso un complesso schema di manipolazione laser.

Pur essendo un’attività svolta nell’ambito della ricerca di base, il lavoro pubblicato può avere importanti ripercussioni anche in altri settori. I risultati ottenuti, infatti, sono di immediata applicazione per l’ottimizzazione dei protocolli con cui operano, in campo medicale, i macchinari per la diagnostica basata sulla risonanza magnetica nucleare. Inoltre possono avere un impatto anche in altri settori, in particolare nell’informazione quantistica, sulla strada che condurrà alla costruzione di calcolatori in grado di elaborare dati in modo straordinariamente efficiente grazie all’uso delle leggi della meccanica quantistica. Il recente sviluppo tecnologico ha anche dimostrato come l’ingegneria quantistica mentre viene estesa verso il mondo mesoscopico, si applica in tutti quei casi in cui sono manipolati sistemi in regime quantistico, come ioni intrappolati, giunzioni superconduttrici, punti quantici. A questi sistemi, che possiedono un grande potenziale applicativo, possono essere estesi diversi dei risultati della ricerca pubblicata.