Credito:CC0 Dominio pubblico
I ricercatori del Center for Quantum Information and Quantum Biology dell'Università di Osaka hanno utilizzato ioni intrappolati per dimostrare la diffusione dei quanti vibrazionali come parte di una passeggiata quantistica casuale. Questo lavoro si basa sul loro squisito controllo dei singoli ioni mediante laser, e può portare a nuove simulazioni quantistiche di sistemi biologici.
Ecco un semplice gioco che puoi giocare con un gruppo di amici. Tutti in fila spalla a spalla, e poi ogni persona lancia una moneta per decidere se fare un passo avanti o indietro. Dopo alcuni giri di lanci, scoprirai che la tua linea ordinata si sarà diffusa in modo casuale. Anche se questo gioco sembra molto semplicistico, gli scienziati hanno scoperto che queste "passeggiate casuali" sono incredibilmente utili per spiegare diversi fenomeni, dalla diffusione molecolare ai problemi di statistica e probabilità.
Tra le caratteristiche molto strane della meccanica quantistica, le leggi della fisica che governano il comportamento di piccoli oggetti come i singoli atomi, c'è il sorprendente mix di casualità e prevedibilità. In particolare, mentre la probabilità di trovare una particella in una certa posizione si estende in modo prevedibile nel tempo, come increspature nello stagno, quando si effettua effettivamente una misurazione, c'è un'incertezza intrinseca. Ciò rende le passeggiate quantistiche casuali fondamentalmente diverse dalle loro controparti convenzionali. A differenza delle molecole di gas che si diffondono in una stanza, le onde di una passeggiata quantistica casuale possono interferire con se stesse, creando un modello di oscillazione distinto.
Primo, un fonone è preparato nella posizione dello ione 2 con una luce illuminante. La vibrazione si propaga tra i quattro ioni a causa dell'interazione di Coulomb tra di loro. Dopo un certo tempo (che variava da 0 a 0,01 secondi), la probabilità di trovare il fonone ad ogni ione è stata misurata con un altro fascio di luce. La probabilità mostra uno schema complesso, che corrisponde esattamente alle aspettative teoriche. Credito:Università di Osaka
Gli scienziati dell'Università di Osaka hanno iniziato creando un cristallo artificiale intrappolando una fila di quattro ioni calcio con i laser. Gli ioni potrebbero ancora influenzarsi a vicenda con la loro carica elettrica. Quindi, il team ha dimostrato di poter far vibrare uno ione puntando un laser separato su di esso.
Questa vibrazione minima possibile, chiamato fonone, agiva come un pacchetto di energia che poteva essere passato a uno ione vicino. Come spiega il primo autore Masaya Tamura, "Utilizzando la capacità di preparare e osservare un fonone localizzato, la sua propagazione in un cristallo lineare a quattro ioni può essere osservata con risoluzione a sito singolo." Attendendo varie lunghezze di tempo fino a 10 millisecondi, le posizioni dei fononi misurate corrispondevano alle previsioni teoriche.
"Il nostro sistema che utilizza fononi offre una piattaforma per realizzare simulazioni quantistiche per lo studio di questioni aperte in chimica e biologia, ", afferma l'autore senior Kenji Toyoda. "Ad esempio, è stato ipotizzato che l'incredibile efficienza del 95% della fotosintesi dipenda, almeno in parte, sul fatto che le passeggiate aleatorie quantistiche agiscono in modo diverso rispetto alla casualità classica. Il sistema mostrato qui potrebbe essere in grado di risolvere questi e altri importanti problemi".
