Ad oggi, la ricerca nell'ottica quantistica ha principalmente studiato la relazione tra luce e materia utilizzando piccoli atomi che interagiscono con campi elettromagnetici che hanno lunghezze d'onda sostanzialmente maggiori. In un nuovo studio non convenzionale, un team della Chalmers University of Technology in Svezia e del Max Planck Institute for the Science of Light ha deciso di esplorare l'interazione tra un grande atomo e campi acustici con lunghezze d'onda di diversi ordini di grandezza inferiori alle dimensioni atomiche.

In uno studio precedente, alcuni ricercatori dello stesso gruppo hanno dimostrato che gli atomi artificiali basati su qubit superconduttori possono essere accoppiati piezoelettricamente alle onde acustiche di superficie. Confrontando l'interazione suono-materia che hanno osservato con la più convenzionale interazione luce-materia, hanno scoperto che i due sono in realtà molto simili.

Ispirato da queste osservazioni, si sono proposti di sondare la fisica dell'interazione luce-materia nei sistemi acustici. Però, hanno scoperto che questo poteva essere fatto solo all'interno di regimi di parametri che sono impegnativi, se non impossibile, ottenere senza utilizzare il suono.

"Ci siamo resi conto che la bassa velocità di propagazione del suono ci avrebbe permesso di progettare atomi artificiali con ritardi temporali interni, o atomi "giganti" come ci piace chiamarli, "Gustav Anderson, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il nostro obiettivo era scoprire come questo regime fosse diverso dal caso più standard di piccoli atomi, come sarebbe l'assorbimento e l'emissione di fononi da un atomo gigante".

Per raggiungere il "regime dell'atomo gigante" volevano indagare, i ricercatori hanno sfruttato una caratteristica chiave delle onde sonore, in particolare, la loro lenta velocità di propagazione. Infatti, la velocità di propagazione delle onde sonore è di circa 3000 m/s, che è cinque ordini di grandezza più lenta della luce.

Andersson ei suoi colleghi hanno fatto interagire l'atomo artificiale con il suono in due punti separati. Perché il loro esperimento funzioni, però, la distanza tra questi due punti doveva essere sufficientemente grande da garantire che il tempo in cui le onde si propagavano attraverso di essi fosse più lungo della scala temporale dell'assorbimento e dell'emissione dei fotoni.

L'approccio adottato dai ricercatori potrebbe essere paragonato al controllo della radiazione di un atomo collegandolo a un'antenna. Poiché la velocità delle onde sonore è bassa, ci vuole più tempo perché il loro campo si propaghi attraverso l'atomo gigante, dando luogo a quella che è nota come dinamica non markoviana.

"Abbiamo fatto interagire l'atomo artificiale con il suono attraverso trasduttori interdigitali (IDT), una struttura periodica a dito il cui periodo corrisponde alla lunghezza d'onda delle onde acustiche di superficie, " ha spiegato Andersson. "Abbiamo creato questa separazione utilizzando efficacemente due IDT collegati elettricamente. Abbiamo quindi utilizzato misurazioni a microonde a bassa temperatura, tecniche standard per circuiti superconduttori, per studiare le proprietà dell'atomo gigante."

L'esperimento condotto da Andersson e dai suoi colleghi ha prodotto diverse interessanti osservazioni relative all'interazione tra suono e materia. Ad esempio, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare il decadimento non esponenziale e le nuove proprietà di dispersione degli atomi giganti. Queste caratteristiche appena scoperte sono causate dall'effetto di ritardo temporale (cioè il processo non markoviano) a livello di singolo atomo.

"La struttura tradizionale dell'ottica quantistica si basa su atomi puntiformi e trascura il tempo necessario alla luce per passare un singolo atomo, "Lingzhen Guo, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Per spiegare le osservazioni raccolte nei nostri esperimenti, però, dobbiamo considerare sia l'effetto dimensione che il ritardo temporale dell'atomo. Perciò, lo studio degli atomi giganti rappresenta un nuovo paradigma nell'ottica quantistica."

Il recente lavoro di Andersson, Guo e il resto della loro squadra dimostrano la natura non markoviana di un atomo gigante nello spettro di frequenza, svelando anche il suo decadimento non esponenziale nel tempo. Nel futuro, vorrebbero condurre ulteriori studi che potrebbero aumentare la rilevanza dei sistemi acustici nell'elaborazione dell'informazione quantistica sfruttando i loro vantaggi rispetto ai circuiti puramente elettrici.

"A causa della corta lunghezza d'onda del suono, i risonatori a onde acustiche di superficie possono essere progettati per supportare molte più modalità risonanti rispetto alle loro controparti elettromagnetiche, " ha detto Andersson. "Accoppiando queste modalità insieme a circuiti superconduttori, speriamo di creare stati quantistici complessi in modo hardware minimale. Sarebbe eccitante vedere se tali sistemi potrebbero essere utilizzati per simulare sistemi quantistici a stato solido o determinati schemi per realizzare il calcolo quantistico".

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