Per la prima volta i fisici hanno calcolato la velocità massima che occorre per spostare un atomo da un punto a un altro senza perdere informazioni. Una scoperta che permetterà di ottimizzare le future tecnologie quantistiche.
Qual è la massima velocità che può raggiungere un atomo per spostarsi da un punto a un altro senza perdere informazioni? Per la prima volta i ricercatori dell’università di Bonn (Germania) e dell’università di Padova sono riusciti a calcolarla all’interno di un sistema quantistico complesso. La scoperta di questo limite di velocità avrà importanti ripercussioni sul calcolo quantistico, scrivono gli esperti: “servirà per raggiungere il numero massimo di operazioni che possono essere eseguite dai computer quantistici”.
Anche nel mondo dei quanti esistono limiti di velocità. Alcuni, quelli nei sistemi semplici a due stati quantici, già si conoscevano perché prevedibili dalla teoria. Ma nei sistemi complessi, in cui un atomo passa attraverso diversi stati eccitati, previsioni non se ne potevano fare.
Conoscere la velocità massima a cui poter spostare un atomo senza perdere informazioni (ossia facendo in modo che all’arrivo l’atomo si trovi nello stesso stato quantico di partenza) è un’informazione preziosa, che permetterebbe di ottimizzare le future tecnologie quantistiche. Andare troppo lenti, infatti, espone ai disturbi dell’ambiente che fanno calare le prestazioni dei computer quantistici, ma andare troppo veloci fa perdere informazioni.
Ora, per la prima volta, i fisici dell’università di Bonn in collaborazione con (anche) l’università di Padova ce l’hanno fatta: hanno spostato un atomo di cesio nel minor tempo possibile senza perdere informazioni. Ma attenzione: la velocità dell’atomo per raggiungere l’obiettivo non si è rivelata costante.
Per cercare di capire l’esperimento, possiamo immaginare di dover portare un bicchiere d’acqua in equilibrio su un vassoio da un punto a un altro di una stanza, a un altro punto ancora nel minor tempo possibile senza farne cadere una goccia. La tecnica migliore è quella di inclinare un pochino il vassoio mentre stiamo accelerando e inclinarlo nella direzione opposta quando rallentiamo per riportarlo completamente orizzontale solo quando ci fermiamo.
Gli atomi, spiega Andrea Alberti, dell’Istituto di Fisica applicata all’Università di Bonn e leader dello studio, sono come l’acqua nel bicchiere: bisogna pensarli come un’onda di materia più che come palle da biliardo. Il vassoio nell’esperimento, invece, era costituito da due raggi laser sovrapposti e diretti l’uno contro l’altro a formare un’onda stazionaria di luce, con montagne e valli. “Abbiamo intrappolato l’atomo in una di queste valli e poi abbiamo messo l’onda luminosa in movimento spostando la valle in cui l’atomo si trovava confinato”, spiega Alberti. “Il nostro obiettivo era quello di portare l’atomo a destinazione nel più breve tempo possibile senza che fuoriuscisse dalla valle stessa”.
I ricercatori hanno così fatto percorrere all’atomo di cesio una distanza di 0,5 micrometri, scoprendo che il trucco per mantenere la massima fedeltà (la somiglianza degli stati iniziale e finale) non è mantenere una velocità di crociera costante ma apportare una serie di aggiustamenti fatta di accelerazioni e decelerazioni: con una velocità media inferiore a circa 17 millimetri al secondo, la fedeltà era molto buona, ma scendeva a valori molto più bassi a velocità medie più elevate.
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