Anche nel mondo delle particelle più piccole con le proprie regole speciali, le cose non possono procedere infinitamente veloci. I fisici dell'Università di Bonn hanno ora mostrato qual è il limite di velocità per operazioni quantistiche complesse. Lo studio ha coinvolto anche scienziati del MIT, le università di Amburgo, Colonia e Padova, e il Centro di ricerca Jülich. I risultati sono importanti per la realizzazione di computer quantistici, tra l'altro. Sono pubblicati sulla prestigiosa rivista Revisione fisica X , e coperto dalla rivista di fisica dell'American Physical Society.

Supponiamo di osservare un cameriere (il lockdown è già storia) che a Capodanno deve servire un intero vassoio di bicchieri di champagne pochi minuti prima della mezzanotte. Si precipita da ospite a ospite alla massima velocità. Grazie alla sua tecnica, perfezionato in tanti anni di lavoro, riesce tuttavia a non versare nemmeno una goccia del prezioso liquido.

Un piccolo trucco lo aiuta a farlo:mentre il cameriere accelera i suoi passi, inclina un po' il vassoio in modo che lo champagne non fuoriesca dai bicchieri. A metà del tavolo, lo inclina nella direzione opposta e rallenta. Solo quando si è fermato completamente lo tiene di nuovo in piedi.

Gli atomi sono in qualche modo simili allo champagne. Possono essere descritti come onde di materia, che si comportano non come una palla da biliardo ma più come un liquido. Chiunque voglia trasportare atomi da un luogo all'altro il più rapidamente possibile deve quindi essere abile come il cameriere a Capodanno. "E anche allora, esiste un limite di velocità che questo trasporto non può superare, " spiega il Dott. Andrea Alberti, che ha condotto questo studio presso l'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Bonn.

Atomo di cesio come sostituto dello champagne

Nel loro studio, i ricercatori hanno studiato sperimentalmente esattamente dove si trova questo limite. Hanno usato un atomo di cesio come sostituto dello champagne e due raggi laser perfettamente sovrapposti ma diretti l'uno contro l'altro come un vassoio. Questa sovrapposizione, chiamata interferenza dei fisici, crea un'onda stazionaria di luce:una sequenza di montagne e valli che inizialmente non si muovono. "Abbiamo caricato l'atomo in una di queste valli, e poi ha messo in moto l'onda stazionaria - questo ha spostato la posizione della valle stessa, " dice Alberti. "Il nostro obiettivo era quello di portare l'atomo nella posizione di destinazione nel più breve tempo possibile senza che fuoriesca dalla valle, per così dire."

Il fatto che ci sia un limite di velocità nel microcosmo era già stato teoricamente dimostrato da due fisici sovietici, Leonid Mandelstam e Igor Tamm più di 60 anni fa. Hanno mostrato che la velocità massima di un processo quantistico dipende dall'incertezza energetica, cioè., quanto è "libera" la particella manipolata rispetto ai suoi possibili stati energetici:più libertà energetica ha, più è veloce. Nel caso del trasporto di un atomo, Per esempio, più profonda è la valle in cui è intrappolato l'atomo di cesio, più diffuse sono le energie degli stati quantici nella valle, e alla fine più velocemente l'atomo può essere trasportato. Qualcosa di simile si può vedere nell'esempio del cameriere:se riempie i bicchieri solo a metà (con dispiacere degli ospiti), corre meno rischi che lo champagne trabocchi mentre accelera e decelera. Però, la libertà energetica di una particella non può essere aumentata arbitrariamente. "Non possiamo rendere la nostra valle infinitamente profonda, ci costerebbe troppa energia, " sottolinea Alberti.

teletrasportami, Scotty!

Il limite di velocità di Mandelstam e Tamm è un limite fondamentale. Però, si può raggiungerlo solo in determinate circostanze, vale a dire in sistemi con solo due stati quantistici. "Nel nostro caso, Per esempio, questo accade quando il punto di partenza e quello di destinazione sono molto vicini tra loro, " spiega il fisico. "Allora le onde di materia dell'atomo in entrambe le posizioni si sovrappongono, e l'atomo potrebbe essere trasportato direttamente a destinazione in una volta sola, questo è, senza fermate intermedie, quasi come il teletrasporto nell'astronave Enterprise di Star Trek."

Però, la situazione è diversa quando la distanza cresce fino a diverse dozzine di larghezze d'onda della materia come nell'esperimento di Bonn. Per queste distanze, il teletrasporto diretto è impossibile. Anziché, la particella deve attraversare diversi stati intermedi per raggiungere la sua destinazione finale:il sistema a due livelli diventa un sistema a più livelli. Lo studio mostra che a tali processi si applica un limite di velocità inferiore a quello previsto dai due fisici sovietici:non è determinato solo dall'incertezza energetica, ma anche dal numero di stati intermedi. In questo modo, il lavoro migliora la comprensione teorica dei processi quantistici complessi e dei loro vincoli.

Le scoperte dei fisici sono importanti non da ultimo per l'informatica quantistica. I calcoli possibili con i computer quantistici si basano principalmente sulla manipolazione di sistemi multilivello. Gli stati quantistici sono molto fragili, anche se. Durano solo un breve lasso di tempo, che i fisici chiamano tempo di coerenza. È quindi importante impacchettare quante più operazioni computazionali possibili in questo lasso di tempo. "Il nostro studio rivela il numero massimo di operazioni che possiamo eseguire nel tempo di coerenza, "Spiega Alberti. "Questo permette di sfruttarlo al meglio".