I sistemi quantistici possono esistere in molti stati possibili, qui illustrato da gruppi di giri, ciascuno che punta lungo una certa direzione. La termalizzazione si verifica quando un sistema esplora in modo uniforme tutte le configurazioni consentite. Anziché, quando si forma una "cicatrice quantistica" (come mostrato in figura), alcune configurazioni risultano speciali. Questa caratteristica consente ai sistemi sfregiati di mantenere la memoria dello stato iniziale nonostante la termalizzazione. Credito:Zlatko Papic, Università di Leeds
Una nuova ricerca fornisce informazioni su un recente esperimento che è stato in grado di manipolare un numero senza precedenti di atomi attraverso un simulatore quantistico. Questa nuova teoria potrebbe fornire un altro passo verso la creazione degli sfuggenti computer quantistici.
Un team internazionale di ricercatori, guidato dall'Università di Leeds e in collaborazione con l'Istituto di Scienza e Tecnologia Austria e l'Università di Ginevra, ha fornito una spiegazione teorica per il comportamento particolare dei singoli atomi che sono stati intrappolati e manipolati in un recente esperimento dell'Università di Harvard e del MIT. L'esperimento ha utilizzato un sistema di laser finemente sintonizzati per agire come "pinzette ottiche" per assemblare una catena notevolmente lunga di 51 atomi.
Quando sono state misurate le dinamiche quantistiche della catena atomica, c'erano oscillazioni sorprendenti che persistevano molto più a lungo del previsto e che non potevano essere spiegate.
Coautore dello studio, Dott. Zlatko Papic, Docente di Fisica Teorica a Leeds, ha dichiarato:"Il precedente esperimento di Harvard-MIT ha creato oscillazioni sorprendentemente robuste che hanno mantenuto gli atomi in uno stato quantico per un periodo di tempo prolungato. Abbiamo trovato queste oscillazioni piuttosto sconcertanti perché suggerivano che gli atomi erano in qualche modo in grado di "ricordare" la loro configurazione iniziale mentre ancora in movimento caoticamente.
"Il nostro obiettivo era capire più in generale da dove potessero provenire tali oscillazioni, poiché le oscillazioni indicano una sorta di coerenza in un ambiente caotico, e questo è esattamente ciò che vogliamo da un robusto computer quantistico. Il nostro lavoro suggerisce che queste oscillazioni sono dovute a un nuovo fenomeno fisico che abbiamo chiamato "cicatrice quantistica a molti corpi".
Nella vita di tutti i giorni, le particelle rimbalzeranno l'una sull'altra finché non esploreranno l'intero spazio, stabilendosi infine in uno stato di equilibrio. Questo processo è chiamato termalizzazione. Una cicatrice quantistica si verifica quando una configurazione o un percorso speciale lascia un'impronta sullo stato delle particelle che impedisce loro di riempire l'intero spazio. Ciò impedisce ai sistemi di raggiungere la termalizzazione e consente loro di mantenere alcuni effetti quantistici.
In basso si possono vedere 10 atomi che oscillano tra stato fondamentale (nero) e stato eccitato (bianco). Poiché questo è un sistema quantistico, gli atomi possono essere simultaneamente nella sovrapposizione di tutte le possibili 47 configurazioni. Il grafico in alto mostra le diverse probabilità di queste singole configurazioni nel tempo. Credito:IST Austria/Maksym Serbyn
Il Dr. Papic ha affermato:"Stiamo imparando che la dinamica quantistica può essere molto più complessa e intricata della semplice termalizzazione. Il vantaggio pratico è che lunghi periodi di oscillazioni sono esattamente ciò che è necessario se i computer quantistici devono diventare una realtà. Le informazioni elaborate e memorizzati su questi computer dipenderà dal mantenere gli atomi in più di uno stato in qualsiasi momento, è una battaglia costante per impedire alle particelle di stabilizzarsi in un equilibrio."
Nel sistema quantistico una mappa di probabilità sostituisce la palla, ma esistono anche caos e memoria di traiettorie classiche. Credito:IST Austria/Maksym Serbyn
Autore principale dello studio, Christopher Turner, dottorando di ricerca presso la Scuola di Fisica e Astronomia di Leeds, ha dichiarato:"Precedenti teorie sulle cicatrici quantistiche sono state formulate per una singola particella. Il nostro lavoro ha esteso queste idee a sistemi che contengono non una ma molte particelle, che sono tutti intrecciati tra loro in modi complicati. Le cicatrici quantistiche a molti corpi potrebbero rappresentare una nuova strada per realizzare dinamiche quantistiche coerenti".
Palla che rimbalza caoticamente in uno stadio (in alto). Se inizia vicino a una traiettoria instabile, rimane vicino a questa traiettoria per qualche tempo ma alla fine sfugge (in basso). Credito:IST Austria/Maksym Serbyn
La teoria quantistica delle cicatrici a molti corpi fa luce sugli stati quantistici che sono alla base delle strane dinamiche degli atomi nell'esperimento di Harvard-MIT. La comprensione di questo fenomeno potrebbe anche aprire la strada alla protezione o all'estensione della durata degli stati quantistici in altre classi di sistemi quantistici a molti corpi.
