«Circa quindici anni fa - commenta il Professor Simone Montangero del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova e vicedirettore del Centro Interdipartimentale per le tecnologie quantistiche di Ateneo - quando abbiamo iniziato a sviluppare tecniche di controllo per manipolare sistemi quantistici a molti corpi e a studiare i loro limiti teorici, non pensavamo di vedere la loro dimostrazione sperimentale in laboratorio così in fretta».

L’atomo di cesio come sostituto dello spumante
Andrea Alberti e i ricercatori del team hanno usato un atomo di cesio come sostituto dello spumante e due raggi laser perfettamente sovrapposti ma diretti l’uno contro l'altro come sostituto del vassoio. Questa sovrapposizione, che i fisici chiamano interferenza, crea un'onda stazionaria di luce: una successione di montagne e valli che dapprincipio non si muovono. «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 trova confinato - dice Alberti -. Il nostro obiettivo era quello di portare l'atomo a destinazione nel più breve tempo possibile senza che fuoriuscisse dalla valle stessa».
«Per farlo si è usato un algoritmo di controllo ottimale dei sistemi quantistici che abbiamo introdotto e stiamo sviluppando ormai da una decina di anni e che sta diventando uno standard per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche - aggiunge Montangero». Il fatto che ci sia un limite di velocità nel microcosmo fu già dimostrato in maniera teorica a metà
del secolo scorso da due fisici sovietici, Leonid Mandelstam e Igor Tamm. Le loro ricerche hanno dimostrato che la velocità massima di un processo quantistico dipende dall'incertezza energetica, cioè da quanto la particella manipolata è "libera" rispetto ai suoi possibili stati energetici: più libertà energetica ha, più è veloce. Nel trasporto atomico, ad esempio, più profonda è la valle in cui l’onda di materia è
intrappolata, quindi più ampio è l'intervallo di energie che gli stati quantici all’interno della valle possono assumere, e più velocemente l'atomo potrà essere trasportato. Ritornando al cameriere che corre di tavolo in tavolo: se il bicchiere fosse riempito solo a metà (per il dispiacere degli ospiti), il rischio che lo spumante fuoriesca durante la fase di accelerazione e decelerazione sarà minore.
«Tuttavia la libertà energetica di una particella non può essere aumentata a piacimento - sottolinea Andrea Alberti - cioè non possiamo rendere la valle dove l’atomo è intrappolato infinitamente profonda perché ci costerebbe troppa energia».

Teletrasportami, Scotty!
Il limite di velocità di Mandelstam e Tamm è un limite fondamentale che si può raggiungere solo in determinate circostanze, cioè nel limite di sistemi in cui ci sono solo due stati quantici. «Questo avviene quando l'origine e la destinazione sono molto vicine: le onde di materia dell'atomo in entrambi i luoghi si sovrappongono e l’atomo - chiarisce Alberti - può essere trasportato direttamente a destinazione in un sol colpo, cioè senza fermate intermedie quasi come il teletrasporto nell'astronave Enterprise di Star Trek».

La situazione è diversa, però, quando la distanza cresce divenendo di molte volte superiore alla dimensione dell’onda di materia, come nell'esperimento effettuato a Bonn. Per queste distanze il “teletrasporto” diretto è impossibile e quindi il tempo minimo richiesto per il trasferimento diventa più lungo: lo studio dimostra che un limite di velocità inferiore rispetto a quello predetto dai fisici sovietici si applica a tali processi. Tale limite è determinato non solo dall'incertezza energetica come nel caso precedente, ma anche dal numero di stati intermedi attraversati. Questa costatazione migliora la comprensione teorica dei processi quantistici complessi e dei vincoli a cui sono soggetti. Le scoperte dei fisici sono importanti in particolare per il calcolo quantistico: i calcoli possibili con i computer quantistici si basano principalmente sulla manipolazione di sistemi a molti livelli. «Gli stati quantistici, tuttavia, sono molto sensibili e durano solo un tempo molto breve che i fisici chiamano tempo di coerenza. È quindi importante racchiudere il maggior numero possibile di operazioni di calcolo in questo lasso di tempo. Il nostro studio - conclude Andrea Alberti - mostra come raggiungere praticamente il numero massimo di operazioni che possono essere eseguite nel tempo di coerenza quantico».

Link alla ricerca: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011035