I fisici dell'Università di Chicago hanno inventato un "flauto quantico" che, come il Pied Piper, può costringere le particelle di luce a muoversi insieme in un modo mai visto prima.

Descritto in due studi pubblicati in Physical Review Letters e Fisica della natura , la svolta potrebbe indicare la strada verso la realizzazione di memorie quantistiche o nuove forme di correzione degli errori nei computer quantistici e l'osservazione di fenomeni quantistici che non possono essere visti in natura.

Assoc. Il laboratorio del Prof. David Schuster lavora sui bit quantistici, l'equivalente quantistico di un bit di computer, che sfruttano le strane proprietà delle particelle a livello atomico e subatomico per fare cose altrimenti impossibili. In questo esperimento, stavano lavorando con particelle di luce, note come fotoni, nello spettro delle microonde.

Il sistema che hanno ideato è costituito da una lunga cavità realizzata in un unico blocco di metallo, progettata per intrappolare i fotoni alle frequenze delle microonde. La cavità è realizzata praticando fori sfalsati, come i fori in un flauto.

"Proprio come nello strumento musicale", ha detto Schuster, "puoi inviare una o più lunghezze d'onda di fotoni attraverso l'intero oggetto, e ogni lunghezza d'onda crea una 'nota' che può essere utilizzata per codificare le informazioni quantistiche". I ricercatori possono quindi controllare le interazioni delle "note" utilizzando un master quantum bit, un circuito elettrico superconduttore.

Ma la loro scoperta più strana è stata il modo in cui i fotoni si comportavano insieme.

In natura, i fotoni non interagiscono quasi mai:passano semplicemente l'uno attraverso l'altro. Con una preparazione scrupolosa, gli scienziati a volte possono indurre due fotoni a reagire alla presenza dell'altro.

"Qui facciamo qualcosa di ancora più strano", ha detto Schuster. "All'inizio i fotoni non interagiscono affatto, ma quando l'energia totale nel sistema raggiunge un punto critico, all'improvviso, tutti parlano tra loro."

Avere così tanti fotoni che "parlano" tra loro in un esperimento di laboratorio è estremamente strano, come vedere un gatto che cammina sulle zampe posteriori.

"Normalmente, la maggior parte delle interazioni tra particelle sono uno contro uno:due particelle che rimbalzano o si attraggono", ha detto Schuster. "Se ne aggiungi un terzo, di solito interagiscono ancora in sequenza con l'uno o l'altro. Ma questo sistema li fa interagire tutti allo stesso tempo."

I loro esperimenti hanno testato solo fino a cinque "note" alla volta, ma gli scienziati potrebbero eventualmente immaginare di eseguire centinaia o migliaia di note attraverso un singolo qubit per controllarle. Con un'operazione complessa come un computer quantistico, gli ingegneri vogliono semplificare ovunque possono, Schuster ha detto:"Se volessi costruire un computer quantistico con 1.000 bit e potessi controllarli tutti attraverso un singolo bit, sarebbe incredibilmente prezioso ."

I ricercatori sono anche entusiasti del comportamento stesso. Nessuno ha osservato nulla di simile a queste interazioni in natura, quindi i ricercatori sperano anche che la scoperta possa essere utile per simulare complessi fenomeni fisici che non possono nemmeno essere visti qui sulla Terra, inclusa forse anche parte della fisica dei buchi neri.

Oltre a ciò, gli esperimenti sono semplicemente divertenti.

"Normalmente le interazioni quantistiche hanno luogo su scale di lunghezza e tempo troppo piccole o veloci per essere viste. Nel nostro sistema, possiamo misurare singoli fotoni in una qualsiasi delle nostre note e osservare l'effetto dell'interazione mentre accade. È davvero abbastanza pulito" vedere un'interazione quantistica con il tuo occhio", ha affermato il ricercatore post-dottorato di UChicago Srivatsan Chakram, il co-primo autore del documento, ora assistente professore alla Rutgers University. + Esplora ulteriormente

Fotoni gemelli da diversi punti quantici