La vera indistinguibilità di questo tipo può alterare radicalmente il comportamento delle palline. Ad esempio, in un classico esperimento di Hong, Ou e Mandel, si scopre che due fotoni identici (sfere) che colpiscono i lati opposti di uno specchio semiriflettente escono sempre dallo stesso lato dello specchio (nella stessa tazza). Ciò risulta da un tipo speciale di interferenza, non da alcuna interazione tra i fotoni. Con più fotoni e più specchi, questa interferenza diventa enormemente complicata.

Misurare la struttura dei fotoni che emergono da un dato labirinto di specchi è noto come “campionamento dei bosoni”. Si ritiene che sia impossibile simulare il campionamento dei bosoni su un computer classico per più di poche decine di fotoni. Di conseguenza, è stato compiuto uno sforzo significativo per eseguire tali esperimenti con fotoni reali e dimostrare che un dispositivo quantistico sta eseguendo un compito computazionale specifico che non può essere eseguito classicamente. Questo sforzo è culminato nelle recenti affermazioni sul vantaggio quantistico utilizzando i fotoni.

Ora, in un articolo recentemente pubblicato su Nature , JILA Fellow e fisico del NIST e professore di fisica dell'Università del Colorado Boulder Adam Kaufman e il suo team, insieme ai collaboratori del NIST (National Institute of Standards and Technology), hanno dimostrato un nuovo metodo di campionamento dei bosoni utilizzando atomi ultrafreddi (in particolare, atomi bosonici ) in un reticolo ottico bidimensionale di raggi laser che si intersecano.

Utilizzando strumenti come pinzette ottiche, è possibile preparare modelli specifici di atomi identici. Gli atomi possono essere propagati attraverso il reticolo con una perdita minima e la loro posizione rilevata con una precisione quasi perfetta dopo il loro viaggio. Il risultato è un'implementazione del campionamento dei bosoni che rappresenta un passo avanti significativo rispetto a quanto ottenuto in precedenza, sia nelle simulazioni al computer che con i fotoni.

"Le pinzette ottiche hanno consentito esperimenti innovativi nella fisica a molti corpi, spesso per studi su atomi che interagiscono tra loro, dove gli atomi sono bloccati nello spazio e interagiscono su lunghe distanze", afferma Kaufman. "Tuttavia, un'ampia classe di problemi fondamentali a molti corpi - i cosiddetti sistemi 'Hubbard' - sorgono quando le particelle possono interagire e creare tunnel, diffondendosi meccanicamente nello spazio. All'inizio della costruzione di questo esperimento, avevamo l'obiettivo di applicare questo paradigma delle pinzette ai sistemi Hubbard su larga scala:questa pubblicazione segna la prima realizzazione di quella visione."

Tecniche per un migliore controllo

Per ottenere questi risultati, i ricercatori hanno utilizzato diverse tecniche all’avanguardia, tra cui pinzette ottiche – laser altamente focalizzati in grado di spostare singoli atomi con estrema precisione – e metodi di raffreddamento avanzati che portano gli atomi vicino alla temperatura dello zero assoluto, minimizzando il loro movimento e consentendo precise misurazioni. controllo e misurazione.

Similmente a come una lente d'ingrandimento crea un puntino di luce quando viene messa a fuoco, le pinzette ottiche possono trattenere i singoli atomi in potenti fasci di luce, consentendo loro di essere spostati con estrema precisione. Usando queste pinzette, i ricercatori hanno preparato modelli specifici fino a 180 atomi di stronzio in un reticolo di 1.000 siti, formato dall'intersezione di raggi laser che creano uno schema a griglia di potenziali pozzi di energia per intrappolare gli atomi. I ricercatori hanno anche utilizzato sofisticate tecniche di raffreddamento laser per preparare gli atomi, assicurando che rimanessero nel loro stato energetico più basso, riducendo così il rumore e la decoerenza, sfide comuni negli esperimenti quantistici.

Il fisico del NIST Shawn Geller ha spiegato che il raffreddamento e la preparazione hanno assicurato che gli atomi fossero il più identici possibile, rimuovendo qualsiasi etichetta, come stati interni individualizzati o stati di movimento, che potrebbero rendere un dato atomo diverso dagli altri.

"Aggiungere un'etichetta significa che l'universo può dire quale atomo è quale, anche se non puoi vedere l'etichetta come sperimentatore", dice Aaron Young, il primo autore ed ex studente laureato della JILA. "La presenza di una tale etichetta cambierebbe il problema del campionamento da un'assurdità difficile a un problema del tutto banale."

Una questione di scala

Per lo stesso motivo per cui il campionamento dei bosoni è difficile da simulare, verificare direttamente che sia stato eseguito il processo di campionamento corretto non è fattibile per gli esperimenti con 180 atomi. Per superare questo problema, i ricercatori hanno campionato i loro atomi su varie scale.

Secondo Young, "effettuiamo test con due atomi, in cui comprendiamo molto bene cosa sta succedendo. Quindi, su una scala intermedia in cui possiamo ancora simulare le cose, possiamo confrontare le nostre misurazioni con simulazioni che coinvolgono modelli di errore ragionevoli per il nostro esperimento. In generale scala, possiamo variare continuamente la difficoltà del compito di campionamento controllando quanto sono distinguibili gli atomi e confermare che non sta andando storto nulla di drammatico."

Geller aggiunge:"Ciò che abbiamo fatto è stato sviluppare test che utilizzano la fisica che conosciamo per spiegare ciò che pensiamo stia accadendo."

Attraverso questo processo, i ricercatori sono stati in grado di confermare l'alta fedeltà della preparazione degli atomi e la successiva evoluzione degli stati quantistici degli atomi rispetto alle precedenti dimostrazioni di campionamento dei bosoni. In particolare, la perdita molto bassa di atomi rispetto ai fotoni durante l'evoluzione degli atomi preclude le moderne tecniche computazionali che mettono in discussione le precedenti dimostrazioni di vantaggio quantistico.

La preparazione, l'evoluzione e il rilevamento programmabili e di alta qualità degli atomi in un reticolo dimostrati in questo lavoro possono essere applicati nella situazione in cui gli atomi interagiscono. Ciò apre nuovi approcci alla simulazione e allo studio del comportamento di materiali quantistici reali, e altrimenti poco compresi.

"L'utilizzo di particelle non interagenti ci ha permesso di portare questo problema specifico del campionamento dei bosoni a un nuovo regime", afferma Kaufman. "Tuttavia, molti dei problemi più interessanti dal punto di vista fisico e impegnativi dal punto di vista computazionale sorgono con sistemi composti da molte particelle interagenti. In futuro, prevediamo che l'applicazione di questi nuovi strumenti a tali sistemi aprirà la porta a molti esperimenti entusiasmanti."