La tecnologia quantistica è vista come un'importante tecnologia orientata al futuro:più piccola, più veloce e con prestazioni superiori rispetto all'elettronica convenzionale. Però, sfruttare gli effetti quantistici è difficile perché i più piccoli elementi costitutivi della natura hanno proprietà ben distinte da quelle che conosciamo dal nostro mondo quotidiano. Un team internazionale di ricercatori è ora riuscito a estrarre una manipolazione dei quanti tollerante ai guasti da un effetto della meccanica classica.

Il movimento di una racchetta da tennis in aria può aiutare a prevedere il comportamento dei quanti. "Utilizzare un'analogia della fisica classica ci aiuta a progettare e illustrare in modo più efficiente gli elementi di controllo per i fenomeni nel mondo quantistico, " riferisce Stefan Glaser, professore presso il Dipartimento di Chimica dell'Università Tecnica di Monaco di Baviera (TUM).

"Controllare le proprietà dei quanti e utilizzarle nei processi tecnici si è dimostrato finora difficile perché i quanti aderiscono alle proprie leggi, che spesso superano la nostra immaginazione, " spiega lo scienziato. "Possibili applicazioni come reti sicure, apparecchiature di misurazione altamente sensibili e computer quantistici ultraveloci sono quindi ancora agli inizi".

Quanta sotto controllo

"Utilizzare gli effetti quantistici in modo tecnico influenzando il comportamento delle particelle attraverso i campi elettromagnetici ha richiesto i metodi più rapidi possibili per sviluppare sequenze di controllo tolleranti ai guasti, " dice Glaser. "Ad oggi, la maggior parte dei metodi si basa su processi computazionali molto complicati."

Insieme a un team internazionale di fisici, chimici e matematici, il ricercatore ha ora scoperto un inaspettato, approccio innovativo e promettente:utilizzando l'effetto racchetta da tennis, un fenomeno ben noto nella meccanica classica, è possibile visualizzare la consistente alterazione dello spin dei quanti tramite comandi di controllo elettromagnetici.

Racchetta da tennis in movimento

L'effetto racchetta da tennis descrive cosa succede quando si lancia una racchetta da tennis in aria mentre si impartisce una rotazione attorno a un asse. Quando si fa girare la racchetta attorno al proprio asse trasversale, appare un effetto sorprendente:oltre alla prevista rotazione di 360 gradi attorno al proprio asse trasversale, la racchetta eseguirà quasi sempre un'inaspettata rotazione di 180 gradi attorno al suo asse longitudinale. Quando la racchetta viene catturata, il lato inferiore iniziale sarà rivolto verso l'alto.

"Responsabili di questo effetto sono piccole deviazioni e perturbazioni durante il lancio e i diversi momenti di inerzia lungo i tre assi di un corpo asimmetrico. L'effetto può essere osservato anche lanciando un libro o un cellulare in aria - per buona misura su un biancheria da letto morbida - invece di una racchetta da tennis, " chiarisce Glaser. Gli assi più lungo e più corto sono stabili. Tuttavia, l'asse intermedio, nel caso di una racchetta da tennis, l'asse trasversale, è instabile e anche minuscole agitazioni attivano in modo affidabile una rotazione aggiuntiva di 180 gradi.

Quanta in movimento

I quanti possiedono anche momento angolare, noto come rotazione. Questo può essere influenzato dall'applicazione di un campo elettromagnetico. "Lo scopo di questa tecnica quantistica è cambiare l'orientamento dello spin in modo mirato, minimizzando così gli errori causati da piccole perturbazioni, "dice Glaser.

"L'analogia matematica scoperta tra le proprietà geometriche della fisica classica relative agli oggetti a rotazione libera e il controllo dei fenomeni quantistici può ora essere utilizzata per ottimizzare il controllo elettromagnetico degli stati quantistici, " riassume il coautore Prof. Dominique Sugny. Oltre che presso l'Università francese della Borgogna, gli scienziati lavorano come Hans Fischer Fellow presso l'Institute for Advanced Study di TUM.

Nuovo, modelli robusti

Utilizzando misurazioni dello spin nucleare, il team ha potuto dimostrare sperimentalmente che l'effetto racchetta da tennis migliora davvero la robustezza delle sequenze di dispersione. Ora hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista" Rapporti scientifici ."

"Sulla base di questi risultati di ricerca, ora possiamo sviluppare modelli matematici più efficienti che consentono di evitare errori durante il controllo dei processori quantistici, " aggiunge Glaser. "Sulla base del fenomeno ben compreso dalla fisica classica, non solo possiamo visualizzare lo sviluppo di sequenze di controllo affidabili nella tecnologia quantistica, ma anche accelerarli in modo significativo".