Gli esperimenti quantistici devono sempre affrontare lo stesso problema, indipendentemente dal fatto che coinvolgano computer quantistici, teletrasporto quantistico o nuovi tipi di sensori quantistici:gli effetti quantistici si interrompono molto facilmente. Sono estremamente sensibili ai disturbi esterni, ad esempio alle fluttuazioni causate semplicemente dalla temperatura circostante. È quindi importante riuscire a raffreddare gli esperimenti quantistici nel modo più efficace possibile.
Alla TU Wien (Vienna) i ricercatori hanno ora dimostrato che questo tipo di raffreddamento può essere ottenuto in un modo nuovo e interessante:un condensato di Bose-Einstein viene diviso in due parti, né bruscamente né particolarmente lentamente, ma con una dinamica temporale molto specifica che garantisce che le fluttuazioni casuali siano evitate nel modo più perfetto possibile.
In questo modo è possibile ridurre notevolmente la temperatura nel già estremamente freddo condensato di Bose-Einstein. Questo è importante per i simulatori quantistici, che vengono utilizzati alla TU Wien per ottenere informazioni sugli effetti quantistici che non potevano essere studiati utilizzando metodi precedenti. Lo studio è pubblicato su Physical Review X .
"Nella nostra ricerca lavoriamo con simulatori quantistici", afferma Maximilian Prüfer, che sta ricercando nuovi metodi presso l'Atomic Institute della TU Wien con l'aiuto di un Esprit Grant della FWF. "I simulatori quantistici sono sistemi il cui comportamento è determinato da effetti quantomeccanici e che possono essere controllati e monitorati particolarmente bene. Questi sistemi possono quindi essere utilizzati per studiare fenomeni fondamentali della fisica quantistica che si verificano anche in altri sistemi quantistici, che non possono essere studiati così facilmente ."
Ciò significa che un sistema fisico viene utilizzato per imparare effettivamente qualcosa su altri sistemi. Questa idea non è del tutto nuova in fisica:ad esempio, puoi anche effettuare esperimenti con le onde dell'acqua per imparare qualcosa sulle onde sonore, ma le onde dell'acqua sono più facili da osservare.
"Nella fisica quantistica, negli ultimi anni i simulatori quantistici sono diventati uno strumento estremamente utile e versatile", afferma Maximilian Prüfer. "Tra gli strumenti più importanti per realizzare sistemi modello interessanti ci sono nubi di atomi estremamente freddi, come quelli che studiamo nel nostro laboratorio."
Nel presente articolo, gli scienziati guidati da Jörg Schmiedmayer e Maximilian Prüfer hanno studiato come si evolve l’entanglement quantistico nel tempo e come questo può essere utilizzato per raggiungere un equilibrio di temperatura ancora più freddo rispetto a prima. La simulazione quantistica è anche un argomento centrale nel QuantA Cluster of Excellence, lanciato di recente, in cui vengono studiati vari sistemi quantistici.
Più fa freddo, meglio è
Il fattore decisivo che attualmente limita di solito l’idoneità di tali simulatori quantistici è la loro temperatura. "Meglio raffreddiamo gli interessanti gradi di libertà del condensato, meglio possiamo lavorarci e più possiamo imparare da esso", afferma Prüfer.
Esistono diversi modi per raffreddare qualcosa:ad esempio, puoi raffreddare un gas aumentandone il volume molto lentamente. Con i condensati di Bose-Einstein estremamente freddi, vengono generalmente utilizzati altri trucchi:gli atomi più energetici vengono rapidamente rimossi fino a quando rimane solo un insieme di atomi, che hanno una bassa energia abbastanza uniforme e sono quindi più freddi.
"Ma usiamo una tecnica completamente diversa", afferma Tiantian Zhang, prima autrice dello studio, che ha indagato questo argomento come parte della sua tesi di dottorato presso il Doctoral College del Centro di scienza e tecnologia quantistica di Vienna. "Creiamo un condensato di Bose-Einstein e poi lo dividiamo in due parti creando una barriera nel mezzo."
Il numero di particelle che finiscono sul lato destro e sul lato sinistro della barriera non è determinato. A causa delle leggi della fisica quantistica, qui c’è una certa incertezza. Si potrebbe dire che entrambe le parti si trovano in una sovrapposizione fisico-quantistica di diversi stati del numero di particelle.
"In media, esattamente il 50% delle particelle si trova a sinistra e il 50% a destra", afferma Prüfer. "Ma la fisica quantistica dice che ci sono sempre determinate fluttuazioni. Le fluttuazioni, cioè le deviazioni dal valore atteso, sono strettamente correlate alla temperatura."
Il gruppo di ricerca della TU Wien è riuscito a dimostrare che né una scissione estremamente brusca né estremamente lenta del condensato di Bose-Einstein è ottimale. È necessario trovare un compromesso, un modo intelligentemente su misura per dividere dinamicamente la condensa, al fine di controllare le fluttuazioni quantistiche nel miglior modo possibile.
Questo non può essere calcolato; il problema non può essere risolto utilizzando i computer convenzionali. Ma con gli esperimenti, il gruppo di ricerca è stato in grado di dimostrare che la dinamica di scissione appropriata può essere utilizzata per sopprimere la fluttuazione del numero di particelle, e questo a sua volta si traduce in una riduzione della temperatura che si desidera ridurre al minimo.
"In questo sistema esistono contemporaneamente diverse scale di temperatura e di queste ne abbassiamo una molto specifica", spiega Prüfer. "Quindi non si può pensare ad un mini-frigorifero che nel complesso diventa notevolmente più freddo. Ma non è di questo che stiamo parlando:sopprimere le fluttuazioni è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno per poter utilizzare il nostro sistema come simulatore quantistico anche meglio di prima. Ora possiamo usarlo per rispondere a domande di fisica quantistica fondamentale che prima erano inaccessibili."
Ulteriori informazioni: Tiantian Zhang et al, Squeezing Oscillations in a Multimode Bosonic Josephson Junction, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011049
Informazioni sul giornale: Revisione fisica X
Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna
