Un pallone da calcio non è una particella quantistica. Ci sono differenze cruciali tra le cose che sappiamo dalla vita di tutti i giorni e i piccoli oggetti quantistici. I fenomeni quantistici sono generalmente molto fragili. Per studiarli, si usa normalmente solo un piccolo numero di particelle, ben protetto dall'ambiente, alle temperature più basse possibili.

Attraverso una collaborazione tra l'Università di Vienna, l'Accademia austriaca delle scienze e TU Wien, però, è stato ora possibile misurare una sfera di vetro calda composta da circa un miliardo di atomi con una precisione senza precedenti e controllarla a livello quantistico. Il suo movimento è stato deliberatamente rallentato fino a quando non ha assunto lo stato fondamentale di energia più bassa possibile. Il metodo di misurazione ha quasi raggiunto il limite fissato dal principio di indeterminazione di Heisenberg:la fisica non consente una precisione maggiore di quella. Ciò è stato reso possibile applicando metodi speciali dall'ingegneria del controllo ai sistemi quantistici. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista scientifica Natura .

La precisione perfetta è impossibile

La misurazione influenza l'oggetto misurato:questo è uno dei principi più basilari della teoria quantistica. "Werner Heisenberg ha ideato un famoso esperimento mentale:il cosiddetto microscopio Heisenberg", spiega il fisico Lorenzo Magrini, il primo autore dello studio dell'Università di Vienna. "Se vuoi misurare la posizione di un oggetto in modo molto preciso al microscopio, devi usare la luce con la lunghezza d'onda più corta possibile. Ma lunghezza d'onda corta significa maggiore energia, quindi il movimento della particella viene disturbato più fortemente." Non è possibile misurare con precisione la posizione e lo stato di movimento di una particella allo stesso tempo. Il prodotto delle loro incertezze è sempre limitato dalla costante di Planck:questa è la cosiddetta Principio di indeterminazione di Heisenberg. è possibile scoprire quanto ci si può avvicinare a questo limite fissato dalla natura.

Il team del Prof. Markus Aspelmeyer dell'Università di Vienna sta studiando questo utilizzando una sfera di vetro con un diametro inferiore a 200 nanometri, composto da circa un miliardo di particelle, molto piccole per i nostri standard quotidiani, ma ancora molto grande rispetto agli oggetti solitamente studiati nella fisica quantistica.

La sfera di vetro può essere mantenuta in posizione con un raggio laser. Gli atomi della sfera vengono riscaldati dal laser, e la temperatura interna della sfera sale a diverse centinaia di gradi Celsius. Ciò significa che gli atomi della sfera di vetro oscillano violentemente. Nell'esperimento, però, non erano i movimenti oscillanti dei singoli atomi che venivano studiati, ma il moto collettivo della sfera nella trappola laser. "Sono due cose completamente diverse, proprio come il movimento di un pendolo in un orologio a pendolo è qualcosa di diverso dal movimento dei singoli atomi all'interno del pendolo, " dice Markus Aspelmeyer.

Tecnologia di controllo quantistico

L'obiettivo era controllare con precisione il movimento del pendolo della sfera di vetro a livello quantistico, anche se la sfera di vetro è in realtà un oggetto macroscopico. Ciò può essere ottenuto solo utilizzando un sistema di controllo perfettamente progettato, accuratamente adattato all'esperimento. Questo compito è stato assunto dal team del Prof. Andreas Kugi alla TU Wien.

"L'ingegneria del controllo riguarda l'influenzare i sistemi in modo tale che mostrino un comportamento desiderato indipendentemente da disturbi e fluttuazioni dei parametri, " dice Andreas Kugi. "Questo può essere un braccio robotico, Per esempio, una linea di produzione in una fabbrica, o anche la temperatura di un altoforno." L'applicazione di moderni metodi di ingegneria di controllo ai sistemi quantistici apre nuove possibilità. "Tuttavia, si devono anche affrontare sfide che non esistono nella teoria dei sistemi classici e nell'ingegneria dei controlli, " spiega Kugi. "Nell'ingegneria di controllo classica, la misura non ha o ha un'influenza trascurabile sul sistema. Nella fisica quantistica, però, questa influenza non può essere evitata, per ragioni molto fondamentali. Dobbiamo quindi anche sviluppare nuovi metodi di ingegneria del controllo".

È stato un successo:la luce retrodiffusa dalla sfera di vetro è stata rilevata nel modo più accurato possibile, utilizzando una sofisticata tecnica di microscopia. Analizzando la luce diffusa, la posizione della sfera è stata determinata in tempo reale, e poi un campo elettrico veniva continuamente regolato in modo tale da contrastare permanentemente il movimento della sfera di vetro. In questo modo, è stato possibile rallentare l'intera sfera e metterla in uno stato di movimento che corrisponde allo stato fondamentale quanto-fisico, cioè lo stato della più piccola energia cinetica possibile, nonostante sia un oggetto relativamente grande ad alte temperature, i cui atomi oscillano vigorosamente.

Promettente cooperazione tra fisica e ingegneria di controllo

"Devi sempre considerare insieme l'incertezza spaziale e cinetica. Nel complesso, l'incertezza quantistica della sfera di vetro era solo 1,7 volte il quanto d'azione di Planck, " dice Lorenzo Magrini. La costante di Planck sarebbe il limite inferiore teorico assoluto, mai prima d'ora un esperimento si era avvicinato così tanto al limite quantistico assoluto usando un oggetto di queste dimensioni. L'energia cinetica misurata nell'esperimento corrispondeva ad una temperatura di appena 5 micro-Kelvin, cioè 5 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Al movimento della sfera di vetro nel suo insieme può quindi essere assegnata una temperatura estremamente bassa anche se gli atomi che compongono la sfera sono molto caldi.

Questo successo mostra il grande potenziale di questa nuova combinazione di fisica quantistica e ingegneria del controllo:entrambi i gruppi di ricerca vogliono continuare a lavorare in questa direzione e sfruttare il know-how dell'ingegneria dei controlli per consentire esperimenti quantistici controllati ancora migliori e più precisi. Ci sono molte possibili applicazioni per questo, che vanno dai sensori quantistici alle tecnologie del campo dell'informazione quantistica.