Gli scienziati dell'Università di Copenaghen hanno sviluppato una risposta pratica a una sfida legata al principio di incertezza di Heisenberg. I ricercatori hanno usato la luce laser per collegare gli atomi di cesio e una membrana vibrante. La ricerca, il primo del suo genere, indica sensori in grado di misurare il movimento con una precisione invisibile.

Quando si misurano strutture atomiche o emissioni luminose a livello quantistico mediante microscopi avanzati o altre forme di apparecchiature speciali, le cose si complicano a causa di un problema che, durante gli anni '20, ha avuto la piena attenzione di Niels Bohr e Werner Heisenberg. E questo problema, trattare con imprecisioni che contaminano determinate misurazioni condotte a livello quantistico, è descritto nel Principio di Indeterminazione di Heisenberg, che afferma che le variabili complementari di una particella, come velocità e posizione, non possono mai essere conosciuti contemporaneamente.

In un rapporto scientifico pubblicato nel numero di questa settimana di Natura , I ricercatori dell'NBI dimostrano che il principio di incertezza di Heisenberg può essere neutralizzato in una certa misura. Questo non è mai stato mostrato prima, e i risultati possono stimolare lo sviluppo di nuove apparecchiature di misurazione, e sensori nuovi e migliori.

Professor Eugene Polzik, capo dell'ottica quantistica (QUANTOP) presso l'Istituto Niels Bohr, ha condotto la ricerca, che prevedeva la costruzione di una membrana vibrante e di una nuvola atomica avanzata rinchiusa in una minuscola gabbia di vetro.

Oggetto leggero 'calci'

Il Principio di Indeterminazione emerge nelle osservazioni condotte tramite un microscopio operante con luce laser, che inevitabilmente porterà l'oggetto a essere preso a calci dai fotoni. Come risultato di quei calci, l'oggetto inizia a muoversi in modo casuale. Questo fenomeno è noto come azione quantistica di ritorno (QBA), e questi movimenti casuali pongono un limite all'accuratezza con cui le misurazioni possono essere eseguite a livello quantistico. Per condurre gli esperimenti all'NBI, Il professor Polzik ei suoi collaboratori hanno utilizzato una membrana su misura come oggetto osservato a livello quantistico.

Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno cercato di trovare il modo di "ingannare" il principio di incertezza di Heisenberg. Eugene Polzik e i suoi colleghi hanno avuto l'idea di implementare la nuvola atomica avanzata alcuni anni fa. Consiste di 100 milioni di atomi di cesio racchiusi in una cella di vetro ermeticamente chiusa, spiega il professore:

"La cella è lunga solo un centimetro, 1/3 di millimetro di altezza e 1/3 di millimetro di larghezza, e per far funzionare gli atomi come previsto, le pareti cellulari interne sono state rivestite con paraffina. La membrana, i cui movimenti abbiamo osservato a livello quantistico, misura 0,5 millimetri, che in realtà è una dimensione considerevole da una prospettiva quantistica."

L'idea alla base della cella di vetro è di inviare deliberatamente la luce laser utilizzata per studiare i movimenti della membrana attraverso la nuvola atomica incapsulata prima che la luce raggiunga la membrana, spiega Eugene Polzik:"Ciò fa sì che i fotoni di luce laser 'colpiscano' l'oggetto, cioè la membrana, così come la nuvola atomica, e questi calci, ' per così dire, cancellare. Ciò significa che non c'è più alcuna azione quantistica di ritorno e quindi nessuna limitazione alla precisione con cui le misurazioni possono essere eseguite a livello quantistico".

Come può essere utilizzato?

"Ad esempio, nello sviluppo di tipi nuovi e molto più avanzati di sensori per l'analisi dei movimenti, ", dice il professor Eugene Polzik. "Parlando in generale, i sensori che operano a livello quantistico stanno ricevendo molta attenzione in questi giorni. Un esempio è l'ammiraglia di Quantum Technologies, un vasto programma dell'UE che sostiene anche questo tipo di ricerca."

Il fatto che sia, infatti, possibile "ingannare" il principio di incertezza di Heisenberg può anche rivelarsi significativo in relazione a una migliore comprensione delle onde gravitazionali, onde nello spazio che si muovono alla velocità della luce. Nel settembre del 2015, l'esperimento americano LIGO ha pubblicato le prime registrazioni e misurazioni dirette delle onde gravitazionali derivanti da una collisione tra due buchi neri molto grandi. Però, l'attrezzatura utilizzata da LIGO è influenzata dall'azione di ritorno quantistico, e la nuova ricerca dell'NBI potrebbe rivelarsi in grado di eliminare quel problema, dice Polzik.