Le teorie dei campi quantistici sono spesso difficili da verificare negli esperimenti. Ora, c'è un nuovo modo di metterli alla prova. Gli scienziati hanno creato un sistema quantistico composto da migliaia di atomi ultra freddi. Tenendoli in una trappola magnetica su un chip atomico, questa nuvola atomica può essere usata come un "simulatore quantistico", che fornisce nuove intuizioni su alcune delle questioni più fondamentali della fisica.

Cosa è successo subito dopo l'inizio dell'universo? Come possiamo comprendere la struttura dei materiali quantistici? Come funziona il meccanismo di Higgs? Tali domande fondamentali possono essere risolte solo utilizzando le teorie quantistiche dei campi. Queste teorie non descrivono le particelle indipendentemente l'una dall'altra; tutte le particelle sono viste come un campo collettivo, che permea l'intero universo.

Ma queste teorie sono spesso difficili da testare in un esperimento. Al Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) presso TU Wien, i ricercatori hanno ora dimostrato come le teorie quantistiche dei campi possono essere messe alla prova in nuovi tipi di esperimenti. Hanno creato un sistema quantistico composto da migliaia di atomi ultra freddi. Tenendoli in una trappola magnetica su un chip atomico, questa nuvola atomica può essere usata come "simulatore quantistico", che fornisce informazioni su una varietà di diversi sistemi fisici e nuove intuizioni su alcune delle questioni più fondamentali della fisica.

Sistemi quantistici complessi:più della somma delle loro parti

"Gli atomi ultra freddi aprono una porta per ricreare e studiare i processi quantistici fondamentali in laboratorio", afferma il professor Jörg Schmiedmayer (VCQ, TU Vienna). Una caratteristica di un tale sistema è che le sue parti non possono essere studiate in modo indipendente.

I sistemi classici che conosciamo dall'esperienza quotidiana sono molto diversi:le traiettorie delle palle su un tavolo da biliardo possono essere studiate separatamente:le palle interagiscono solo quando si scontrano.

"In un sistema quantistico altamente correlato come il nostro, fatto di migliaia di particelle, la complessità è così elevata che una descrizione nei termini dei suoi costituenti fondamentali è matematicamente impossibile", dice Thomas Schweigler, il primo autore del saggio. "Anziché, descriviamo il sistema in termini di processi collettivi a cui prendono parte molte particelle, simili alle onde in un liquido, che sono anche costituiti da innumerevoli molecole." Questi processi collettivi possono ora essere studiati con dettagli senza precedenti utilizzando i nuovi metodi.

Correlazioni superiori

Nelle misurazioni di alta precisione, si scopre che la probabilità di trovare un singolo atomo non è la stessa in ogni punto dello spazio e ci sono relazioni interessanti tra le diverse probabilità. "Quando abbiamo un gas classico e misuriamo due particelle in due punti separati, questo risultato non influenza la probabilità di trovare una terza particella in un terzo punto nello spazio", dice Jörg Schmiedmayer. "Ma nella fisica quantistica, ci sono sottili connessioni tra le misurazioni in diversi punti dello spazio. Queste correlazioni ci parlano delle leggi fondamentali della natura che determinano il comportamento della nuvola atomica a livello quantistico".

"Le cosiddette funzioni di correlazione, che sono usati per descrivere matematicamente queste relazioni, sono uno strumento estremamente importante nella fisica teorica per caratterizzare i sistemi quantistici", afferma il professor Jürgen Berges (Istituto di fisica teorica, Università di Heidelberg). Ma anche se hanno svolto un ruolo importante nella fisica teorica per molto tempo, queste correlazioni difficilmente potrebbero essere misurate negli esperimenti. Con l'aiuto dei nuovi metodi sviluppati alla TU Wien, questo ora sta cambiando:"Possiamo studiare correlazioni di diversi ordini - fino al decimo ordine. Ciò significa che possiamo studiare la relazione tra misurazioni simultanee in dieci punti diversi nello spazio", Schmiedmayer spiega. "Per descrivere il sistema quantistico, è molto importante se queste correlazioni superiori possono essere rappresentate da correlazioni di ordine inferiore, in questo caso, possono essere trascurati ad un certo punto o se contengono nuove informazioni."

Simulatori quantistici

Utilizzando tali sistemi altamente correlati come la nuvola atomica nella trappola magnetica, varie teorie possono ora essere testate in un ambiente ben controllato. Questo ci permette di ottenere una profonda comprensione della natura delle correlazioni quantistiche. Ciò è particolarmente importante perché le correlazioni quantistiche svolgono un ruolo cruciale in molti, domande di fisica apparentemente non correlate:esempi sono il comportamento peculiare del giovane universo subito dopo il big bang, ma anche per nuovi materiali speciali, come i cosiddetti isolanti topologici.

Informazioni importanti su tali sistemi fisici possono essere ottenute ricreando condizioni simili in un sistema modello, come le nuvole atomiche. Questa è l'idea di base dei simulatori quantistici:proprio come le simulazioni al computer, che forniscono dati da cui possiamo imparare qualcosa sul mondo fisico, una simulazione quantistica può produrre risultati su un diverso sistema quantistico a cui non è possibile accedere direttamente in laboratorio.

Lo studio è pubblicato sulla rivista Natura .