Le vibrazioni quantistiche negli atomi contengono un mondo in miniatura di informazioni. Se gli scienziati possono misurare con precisione queste oscillazioni atomiche e come si evolvono nel tempo, possono affinare la precisione degli orologi atomici e dei sensori quantistici, che sono sistemi di atomi le cui fluttuazioni possono indicare la presenza di materia oscura, un'onda gravitazionale che passa, o anche fenomeni nuovi, inaspettati.

Uno dei principali ostacoli nel percorso verso misurazioni quantistiche migliori è il rumore del mondo classico, che può facilmente sopraffare le sottili vibrazioni atomiche, rendendo diabolicamente difficili da rilevare eventuali modifiche a tali vibrazioni.

Ora, i fisici del MIT hanno dimostrato di poter amplificare in modo significativo i cambiamenti quantistici nelle vibrazioni atomiche, sottoponendo le particelle a due processi chiave:entanglement quantistico e inversione temporale.

Prima di iniziare a fare acquisti per DeLoreans, no, non hanno trovato un modo per invertire il tempo stesso. Piuttosto, i fisici hanno manipolato atomi quantisticamente entangled in modo tale che le particelle si comportassero come se si stessero evolvendo all'indietro nel tempo. Poiché i ricercatori hanno effettivamente riavvolto il nastro delle oscillazioni atomiche, qualsiasi modifica a tali oscillazioni è stata amplificata, in un modo che poteva essere facilmente misurato.

In un articolo apparso oggi su Fisica della natura , il team dimostra che la tecnica, soprannominata SATIN (per l'amplificazione del segnale tramite inversione temporale), è il metodo più sensibile per misurare le fluttuazioni quantistiche sviluppato fino ad oggi.

La tecnica potrebbe migliorare la precisione degli attuali orologi atomici all'avanguardia di un fattore 15, rendendo i loro tempi così precisi che nell'intera età dell'universo gli orologi sarebbero meno di 20 millisecondi. Il metodo potrebbe anche essere utilizzato per focalizzare ulteriormente i sensori quantistici progettati per rilevare le onde gravitazionali, la materia oscura e altri fenomeni fisici.

"Pensiamo che questo sia il paradigma del futuro", afferma l'autore principale Vladan Vuletic, professore di fisica di Lester Wolfe al MIT. "Qualsiasi interferenza quantistica che funziona con molti atomi può trarre profitto da questa tecnica."

I coautori dello studio del MIT includono il primo autore Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez e Chi Shu.

Cronometristi aggrovigliati

Un dato tipo di atomo vibra a una frequenza particolare e costante che, se opportunamente misurata, può fungere da pendolo molto preciso, mantenendo il tempo a intervalli molto più brevi dei secondi di un orologio da cucina. Ma alla scala di un singolo atomo, le leggi della meccanica quantistica prendono il sopravvento e l'oscillazione dell'atomo cambia come la faccia di una moneta ogni volta che viene lanciata. Solo effettuando molte misurazioni di un atomo gli scienziati possono ottenere una stima della sua effettiva oscillazione, una limitazione nota come limite quantico standard.

In orologi atomici all'avanguardia, i fisici misurano l'oscillazione di migliaia di atomi ultrafreddi, molte volte, per aumentare le loro possibilità di ottenere una misurazione accurata. Tuttavia, questi sistemi presentano alcune incertezze e il loro cronometraggio potrebbe essere più preciso.

Nel 2020, il gruppo di Vuletic ha dimostrato che la precisione degli attuali orologi atomici potrebbe essere migliorata aggrovigliando gli atomi, un fenomeno quantistico mediante il quale le particelle sono costrette a comportarsi in uno stato collettivo altamente correlato. In questo stato intrecciato, le oscillazioni dei singoli atomi dovrebbero spostarsi verso una frequenza comune che richiederebbe molti meno tentativi per misurare con precisione.

"All'epoca, eravamo ancora limitati dalla capacità di leggere la fase dell'orologio", afferma Vuletic.

Cioè, gli strumenti utilizzati per misurare le oscillazioni atomiche non erano abbastanza sensibili da leggere o misurare qualsiasi cambiamento sottile nelle oscillazioni collettive degli atomi.

Inverti il ​​segno

Nel loro nuovo studio, invece di tentare di migliorare la risoluzione degli strumenti di lettura esistenti, il team ha cercato di aumentare il segnale da qualsiasi cambiamento nelle oscillazioni, in modo che potessero essere letti dagli strumenti attuali. Lo hanno fatto sfruttando un altro fenomeno curioso nella meccanica quantistica:l'inversione del tempo.

Si pensa che un sistema puramente quantistico, come un gruppo di atomi completamente isolato dal rumore classico di tutti i giorni, debba evolversi nel tempo in modo prevedibile e le interazioni degli atomi (come le loro oscillazioni) dovrebbero essere descritte precisamente dal "Hamiltoniano" del sistema:essenzialmente, una descrizione matematica dell'energia totale del sistema.

Negli anni '80, i teorici prevedevano che se l'Hamiltoniana di un sistema fosse stata invertita e lo stesso sistema quantistico fosse stato fatto de-evolvere, sarebbe stato come se il sistema stesse tornando indietro nel tempo.

"Nella meccanica quantistica, se conosci l'Hamiltoniana, puoi tenere traccia di ciò che il sistema sta facendo nel tempo, come una traiettoria quantistica", spiega Pedrozo-Peñafiel. "Se questa evoluzione è completamente quantistica, la meccanica quantistica ti dice che puoi de-evolvere, o tornare indietro e tornare allo stato iniziale."

"E l'idea è che, se potessi invertire il segno dell'Hamiltoniana, ogni piccola perturbazione che si è verificata dopo che il sistema si è evoluto in avanti verrebbe amplificata se andassi indietro nel tempo", aggiunge Colombo.

Per il loro nuovo studio, il team ha studiato 400 atomi ultrafreddi di itterbio, uno dei due tipi di atomi utilizzati negli orologi atomici di oggi. Hanno raffreddato gli atomi appena un pelo sopra lo zero assoluto, a temperature in cui la maggior parte degli effetti classici come il calore svaniscono e il comportamento degli atomi è governato esclusivamente da effetti quantistici.

Il team ha utilizzato un sistema di laser per intrappolare gli atomi, quindi ha inviato una luce "aggrovigliata" di colore blu, che ha costretto gli atomi a oscillare in uno stato correlato. Hanno lasciato che gli atomi aggrovigliati si evolvessero in avanti nel tempo, quindi li hanno esposti a un piccolo campo magnetico, che ha introdotto un minuscolo cambiamento quantico, spostando leggermente le oscillazioni collettive degli atomi.

Un tale spostamento sarebbe impossibile da rilevare con gli strumenti di misurazione esistenti. Invece, il team ha applicato l'inversione del tempo per aumentare questo segnale quantistico. Per fare ciò, hanno inviato un altro laser dalle sfumature rosse che ha stimolato gli atomi a districarsi, come se si stessero evolvendo indietro nel tempo.

Hanno quindi misurato le oscillazioni delle particelle mentre tornavano ai loro stati districati e hanno scoperto che la loro fase finale era notevolmente diversa dalla loro fase iniziale:una chiara prova che si era verificato un cambiamento quantistico da qualche parte nella loro evoluzione in avanti.

Il team ha ripetuto questo esperimento migliaia di volte, con nuvole che vanno da 50 a 400 atomi, osservando ogni volta l'amplificazione prevista del segnale quantistico. Hanno scoperto che il loro sistema entangled era fino a 15 volte più sensibile di simili sistemi atomici non intrecciati. Se il loro sistema fosse applicato agli attuali orologi atomici all'avanguardia, ridurrebbe il numero di misurazioni richieste da questi orologi, di un fattore 15.

Andando avanti, i ricercatori sperano di testare il loro metodo sugli orologi atomici, nonché sui sensori quantistici, ad esempio per la materia oscura.

"Una nuvola di materia oscura fluttuante sulla Terra potrebbe cambiare il tempo a livello locale, e ciò che alcune persone fanno è confrontare gli orologi, ad esempio, in Australia con altri in Europa e negli Stati Uniti per vedere se riescono a individuare cambiamenti improvvisi nel modo in cui passa il tempo", afferma Vuletic . "La nostra tecnica è esattamente adatta a questo, perché devi misurare variazioni di tempo che cambiano rapidamente mentre la nuvola vola". + Esplora ulteriormente

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