Stati quantistici potenti con un trucco sorprendentemente semplice
Creare stati quantistici complessi e altamente entangled non richiede per forza apparecchiature sofisticate o sistemi sperimentali costosissimi. Almeno, non secondo quanto proposto da un gruppo di ricercatori della University of Chicago, che ha trovato un modo quasi disarmante nella sua semplicità per generare e controllare un’ampia gamma di stati entangled, partendo da strumenti già disponibili in moltissimi laboratori di fisica quantistica. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Physical Review X, potrebbe segnare una svolta concreta nel campo del quantum sensing e aprire strade nuove per l’esplorazione della fisica fondamentale.
Il punto di partenza è un sistema noto come cavity QED (elettrodinamica quantistica in cavità). In pratica, degli atomi vengono posizionati all’interno di una cavità ottica formata da due specchi che intrappolano la luce. Gli atomi interagiscono con questa luce confinata. Il problema classico di questi sistemi? Tutti gli atomi “parlano” con la luce esattamente allo stesso modo, il che limita parecchio la varietà di stati quantistici ottenibili. Troppa simmetria, per dirla con le parole di Aashish Clerk, professore di ingegneria molecolare e autore senior dello studio.
La soluzione trovata dal team è elegante: mentre tutti gli atomi continuano a essere pilotati dallo stesso laser, vengono utilizzati laser aggiuntivi o campi magnetici per modificare i livelli energetici degli stati eccitati di gruppi diversi di atomi. Ogni atomo viene accoppiato con un altro che presenta uno spostamento energetico uguale ma opposto. Questa modifica apparentemente banale rompe la simmetria del sistema senza comprometterne la controllabilità. Cambiando quali atomi ricevono determinati spostamenti energetici, si possono produrre stati entangled diversi senza toccare l’hardware fisico. Come ha spiegato Anjun Chu, primo autore dello studio: basta accendere i laser, aspettare che il sistema si stabilizzi, e ci si ritrova con stati quantistici che nessuno aveva mai pensato di poter ottenere in quel modo.
Sensori quantistici più robusti e applicazioni oltre il sensing
Una delle applicazioni più promettenti riguarda il quantum sensing. Gli stati quantistici entangled possono, in teoria, rilevare differenze infinitesimali nei campi magnetici o gravitazionali tra posizioni distinte. Il guaio è che sviluppare stati che siano contemporaneamente sensibilissimi e resistenti al rumore è sempre stato un rompicapo. Il sistema proposto dai ricercatori di Chicago risolve questo dilemma in modo quasi controintuitivo: due gruppi di atomi, posizionati in luoghi diversi, generano uno stato quantistico che riflette la differenza tra i campi locali e allo stesso tempo rigetta automaticamente il rumore di fondo comune a entrambe le posizioni. Si ottiene insomma un sensore estremamente preciso ma anche sorprendentemente resiliente al rumore, due qualità che normalmente non vanno d’accordo quando si parla di entanglement.
C’è di più. Lo stesso approccio è in grado di generare stati quantistici che affascinano i fisici da decenni. Un esempio è lo stato AKLT, uno stato entangled a molti corpi introdotto negli anni Ottanta per descrivere materiali magnetici insoliti. Il team ha dimostrato che il proprio setup relativamente semplice può stabilizzare anche questo stato, con possibili ricadute sia nello studio di sistemi magnetici complessi sia nel campo del calcolo quantistico.
Per ora il lavoro resta su un piano teorico, ma i ricercatori stanno già discutendo test sperimentali con altri gruppi. Stanno anche esplorando configurazioni più sofisticate per disporre gli atomi all’interno del sistema e mappare l’intera gamma di stati quantistici producibili. La ricerca è stata sostenuta da Q-NEXT, centro nazionale per la scienza dell’informazione quantistica del Dipartimento dell’Energia statunitense. Il messaggio che arriva da questo studio è piuttosto chiaro: anche prima di raggiungere il sogno di un computer quantistico universale, esistono già modi per sfruttare stati quantistici e fare cose impossibili nel mondo classico. E a volte, la chiave sta proprio nella semplicità.
