Alla meccanica quantistica e alle sue molteplici applicazioni, spesso provenienti dalla ricerca di base, è stato quindi dedicato il
convegno biennale di Torino, considerato tra i maggiori in Europa.
A Torino duecento “maghi” della fisica quantistica per un convegno biennale.
Si intitola “Quantum 2014”, ed è un convegno internazionale che si svolge in questi giorni a Torino (fino al 30 maggio). Perché “Quantum”? È il termine latino di “Quanto”, termine assai diffuso in fisica per indicare una quantità discreta ed indivisibile di una certa grandezza. Il termine è a volte utilizzato come sinonimo di “particella”.
Alla meccanica quantistica e alle sue molteplici applicazioni, spesso provenienti dalla ricerca di base, è stato quindi dedicato il convegno biennale di Torino, considerato tra i maggiori in Europa, organizzato dall’INRIM (Istituto Nazionale di Metrologia), in collaborazione con l’Università degli Studi di Bari. Cinque giorni di approfondimenti su un tema poco conosciuto dal grande pubblico, ma fondamentale nell’ambito della ricerca di base e applicata. Vediamo il perché.
Quanto importanti i...quanti
La meccanica quantistica è una teoria fisica che descrive il comportamento della radiazione, della materia e le loro interazioni, con particolare riguardo ai fenomeni tipici delle scale di lunghezze o di energie atomiche e subatomiche: “L’incapacità della meccanica e dell’elettromagnetismo classico di spiegare fenomeni riguardanti la luce e la sua interazione con la materia, furono le motivazioni principali che portarono allo sviluppo della meccanica quantistica nella prima metà ‘900” – ci spiega il professor Augusto Garuccio, già Prorettore dell’Università di Bari, presente al workshop di Torino – “e il nome “meccanica quantistica”, dato alla teoria, deriva dalla scoperta che alcune grandezze fisiche, come l’energia o il momento angolare, possono variare soltanto di quantità discrete, chiamate appunto “quanti”.
Una caratteristica fondamentale della meccanica quantistica è il cosiddetto dualismo onda-corpuscolo: a differenza della meccanica classica, che descrive la radiazione elettromagnetica (ad esempio la luce) come un’onda e gli oggetti massivi (ad esempio l’elettrone) come una particella, in meccanica quantistica radiazione e materia possono entrambe essere descritte sia come onde che come corpuscoli.
“Teoria e pratica vanno di pari passo e noi scienziati evitiamo di scindere questi due aspetti” – aggiunge Garuccio – “poiché un aspetto fondamentale della ricerca in questo campo è lo stretto legame tra gli studi di fisica fondamentale e le tecnologie emergenti che direttamente ne derivano. Pochi sanno che grazie alla fisica quantistica è stato possibile realizzare strumenti come il laser e le risonanze magnetiche, sviluppare la tecnologia alla base delle apparecchiature elettroniche, le telecomunicazioni e le reti informatiche. Persino la fotocopiatrice è basata su un fenomeno prettamente quantistico: l’effetto fotoelettrico. Gran parte della tecnologia che utilizziamo quotidianamente è frutto di questa teoria”.
Una verifica dell’ ”ultimo sogno di Einstein” con le correlazioni quantistiche
Le cinque giornate del workshop di Torino (dedicato in memoria al fisico Carlo Novero) stanno illustrando i recenti sviluppi nel campo delle emergenti tecnologie quantistiche; avveniristiche applicazioni e studi fondamentali circa le proprietà di particolari sistemi di luce quantistici aprono nuove prospettive negli ambiti più svariati. Stati di luce quantistici possono essere sfruttati per realizzare comunicazioni criptate più sicure o per studiare campioni biologici con più accuratezza; circuiti fotonici con capacità di calcolo infinitamente superiori a quelle dei computer attuali cominciano a diventare realtà: “I computer finora realizzati” – dice Garuccio – “non hanno ancora sfruttato appieno le opportunità offerte dalla fisica del quanti. In futuro, grazie a queste sperimentazioni, si potranno realizzare elaboratori con capacità di calcolo inimmaginabili in base alla tecnologia attuale”.
A “Quantum 2014” sono state anche presentate alcune novità. Tra queste, le teorie legate al sogno di costruire una teoria che unifichi tutte le forze note, inclusa la gravità; un elemento chiave della fisica teorica negli ultimi 60 anni, che ha portato a numerose proposte di quantizzazione della gravità, ma senza aver sinora avuto alcuna significativa verifica sperimentale.
In particolare gli ultimi lavori di Einstein furono diretti, da un lato, a questo scopo e, dall’altro, allo studio delle peculiari correlazioni tra sistemi quantistici che, a suo avviso, erano un’indicazione dell’incompletezza della meccanica quantistica.
In un lavoro realizzato da ricercatori INRIM (Ivano Ruo Berchera, Ivo Degiovanni, Marco Genovese) e Università di Milano (Stefano Olivares) si è ora dimostrato come queste peculiari correlazioni della meccanica quantistica possano condurre ad un esperimento realizzabile su un semplice tavolo ottico, volto a dare una risposta all’ultimo “sogno di Einstein”.
“Ciò è possibile grazie alla luce “quantistica”” - spiega Marco Genovese - “che garantisce un grande miglioramento della sensibilità in particolari sistemi interferometrici. La possibilità di realizzare tali sistemi con le presenti tecnologie dischiude la porta ad un rapido raggiungimento di questo risultato. Inoltre tale risultato promuove lo studio di interferometri ultra-sensibili basati sulla luce quantistica le cui applicazioni alle misure di ultra precisione sono ancora soltanto vagamente ipotizzabili, ma che potrebbero essere una vera rivoluzione nel campo”.
Individuare un oggetto altrimenti invisibile, superando i limiti classici della misura
E’ lo scopo dell’esperimento realizzato nei laboratori INRIM dal gruppo guidato da Marco Genovese in collaborazione con l’Università di Milano pubblicato sul Physical Review Letters.
“Immaginiamo di poter avere un oggetto in una stanza illuminata”- spiega Marco Genovese - “e di dover scoprire la sua presenza inviando attraverso un foro un impulso di luce ed osservando la luce di ritorno. Se la luce presente nella stanza è troppo intensa la piccola quantità di luce eventualmente riflessa dall’oggetto non sarà sufficiente ad identificarlo. Tuttavia se si sfruttano le proprietà di correlazione quantistica tra due fasci di luce, uno inviato all’oggetto l’altro tenuto come riferimento, allora sarà possibile identificarlo in condizioni altrimenti proibitive”.
“Questo è il risultato ottenuto in INRIM” - aggiunge - “basato sulla generazione di fasci gemelli di luce, in cui il numero di fotoni del singolo fascio fluttua casualmente, ma ove il numero di fotoni nei due fasci fluttua all’unisono”.
Le possibili applicazioni dello schema sono al momento ancora ipotetiche, ma spaziano dall’identificazione di un oggetto scarsamente riflettente in volo nel cielo diurno. Inoltre, questo esperimento rappresenta uno dei primi esempi di come i sistemi quantistici permettano di superare i limiti classici della misura, avviando una “metrologia quantistica”.
Un workshop in sinergia tra Torino e Bari
Il convegno di Torino è stato realizzato in collaborazione tra INRIM e Università degli Studi di Bari “Aldo Moro”. L’ateneo barese infatti è tra quelli maggiormente impegnati, a livello internazionale, nel settore della fisica quantistica, e dispone anche di moderni laboratori di Meccatronica (dove meccanica ed elettronica si fondono per lo sviluppo di tecnologie innovative). “Il nostro gruppo di fisica quantistica” – dice il Prorettore Augusto Garuccio – “è stato fondato negli anni settanta dal professor Franco Selleri. Da Bari sono poi iniziati studi e collaborazioni nazionali ed internazionali, da Parigi al Portogallo, fino alla Russia, al Giappone, a Baltimora, negli Stati Uniti e in Corea”.
L’INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica) è il centro d’eccellenza nazionale per lo studio sulla metrologia, cioè la scienza delle misure. Nasce alcuni anni fa dalla fusione delle competenze tra Istituto nazionale «Galileo Ferraris» (celebre per l’altrettanto famoso segnale orario della Rai), e l’Istituto Colonnetti, entrambi con sede a Torino. È un ente pubblico di ricerca, afferente al Miur, e si occupa di scienza delle misure e dei materiali, e sviluppa tecnologie e dispositivi innovativi. Molti i settori in cui opera: realizza i campioni primari delle unità di misura fondamentali e derivate del Sistema internazionale dell’Unità di misura, e ne assicura il mantenimento; partecipa ai confronti internazionali, permette in Italia riferibilità di ogni misura al Sistema Internazionale di Misura, e rappresenta l’Italia negli organismi metrologici internazionali.
