La pratica di tenere il tempo dipende da oscillazioni stabili. In un orologio a pendolo, la durata di un secondo è scandita da una singola oscillazione del pendolo. In un orologio digitale, le vibrazioni di un cristallo di quarzo scandiscono frazioni di tempo molto più piccole. E negli orologi atomici, i cronometri più avanzati al mondo, le oscillazioni di un raggio laser stimolano gli atomi a vibrare a 9,2 miliardi di volte al secondo. Queste divisioni del tempo più piccole e stabili definiscono i tempi per le comunicazioni satellitari, i sistemi GPS e i mercati finanziari di oggi.
La stabilità di un orologio dipende dal rumore nel suo ambiente. Un leggero vento può far perdere la sincronizzazione all'oscillazione del pendolo. E il calore può interrompere le oscillazioni degli atomi in un orologio atomico. L'eliminazione di tali effetti ambientali può migliorare la precisione di un orologio. Ma solo di un certo importo.
Un nuovo studio del MIT rileva che anche se tutto il rumore proveniente dal mondo esterno venisse eliminato, la stabilità degli orologi, dei raggi laser e di altri oscillatori sarebbe ancora vulnerabile agli effetti della meccanica quantistica. La precisione degli oscillatori sarebbe in definitiva limitata dal rumore quantistico.
Ma in teoria esiste un modo per superare questo limite quantico. Nel loro studio, i ricercatori mostrano anche che manipolando, o "comprimendo", gli stati che contribuiscono al rumore quantistico, la stabilità di un oscillatore potrebbe essere migliorata, anche oltre il suo limite quantistico.
"Quello che abbiamo dimostrato è che in realtà esiste un limite alla stabilità degli oscillatori come i laser e gli orologi, che non è fissato solo dal loro ambiente, ma dal fatto che la meccanica quantistica li costringe a tremare un po'", afferma Vivishek. Sudhir, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT. "Quindi, abbiamo dimostrato che ci sono modi per aggirare questo scuotimento della meccanica quantistica. Ma devi essere più intelligente che isolare semplicemente l'oggetto dal suo ambiente. Devi giocare con gli stati quantistici stessi."
Il team sta lavorando a un test sperimentale della loro teoria. Se riuscissero a dimostrare di poter manipolare gli stati quantistici in un sistema oscillante, i ricercatori immaginano che orologi, laser e altri oscillatori potrebbero essere sintonizzati con una precisione super quantistica. Questi sistemi potrebbero quindi essere utilizzati per tracciare differenze infinitesimali nel tempo, come le fluttuazioni di un singolo qubit in un computer quantistico o la presenza di una particella di materia oscura che svolazza tra i rilevatori.
"Abbiamo in programma di dimostrare diversi esempi di laser con capacità di cronometraggio quantistica nei prossimi anni", afferma Hudson Loughlin, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica del MIT. "Speriamo che i nostri recenti sviluppi teorici e i prossimi esperimenti miglioreranno la nostra capacità fondamentale di tenere il tempo con precisione e consentiranno nuove tecnologie rivoluzionarie."
Loughlin e Sudhir descrivono in dettaglio il loro lavoro in un articolo ad accesso libero pubblicato sulla rivista Nature Communications .
Nello studiare la stabilità degli oscillatori, i ricercatori hanno guardato innanzitutto al laser, un oscillatore ottico che produce un fascio ondulatorio di fotoni altamente sincronizzati. L'invenzione del laser è in gran parte attribuita ai fisici Arthur Schawlow e Charles Townes, che coniarono il nome dal suo acronimo descrittivo:amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni.
Il design di un laser è incentrato su un "mezzo laser", un insieme di atomi, solitamente incorporati in vetro o cristalli. Nei primi laser, un tubo flash che circondava il mezzo laser stimolava gli elettroni negli atomi a salire di energia. Quando gli elettroni si rilassano e ritornano a un'energia inferiore, emettono una certa radiazione sotto forma di fotone.
Due specchi, su ciascuna estremità del mezzo laser, riflettono il fotone emesso negli atomi per stimolare più elettroni e produrre più fotoni. Uno specchio, insieme al mezzo laser, funge da "amplificatore" per aumentare la produzione di fotoni, mentre il secondo specchio è parzialmente trasmissivo e funge da "accoppiatore" per estrarre alcuni fotoni come un raggio concentrato di luce laser. /P>
Sin dall'invenzione del laser, Schawlow e Townes hanno avanzato l'ipotesi secondo cui la stabilità del laser dovrebbe essere limitata dal rumore quantistico. Da allora altri hanno testato la loro ipotesi modellando le caratteristiche microscopiche di un laser. Attraverso calcoli molto specifici, hanno dimostrato che, infatti, le impercettibili interazioni quantistiche tra i fotoni e gli atomi del laser potrebbero limitare la stabilità delle loro oscillazioni.
"Ma questo lavoro ha avuto a che fare con calcoli estremamente dettagliati e delicati, in modo tale che il limite fosse compreso, ma solo per un tipo specifico di laser", osserva Sudhir. "Volevamo semplificare enormemente tutto ciò, per comprendere i laser e un'ampia gamma di oscillatori."
Invece di concentrarsi sulle complessità fisiche del laser, il team ha cercato di semplificare il problema.
"Quando un ingegnere elettrico pensa di realizzare un oscillatore, prende un amplificatore e inserisce l'uscita dell'amplificatore nel suo ingresso", spiega Sudhir. "È come un serpente che si mangia la coda. È un modo di pensare estremamente liberatorio. Non è necessario conoscere i dettagli di un laser. Invece, hai un'immagine astratta, non solo di un laser, ma di tutti gli oscillatori ."
Nel loro studio, il team ha elaborato una rappresentazione semplificata di un oscillatore simile a un laser. Il loro modello è costituito da un amplificatore (come gli atomi di un laser), una linea di ritardo (ad esempio, il tempo impiegato dalla luce per viaggiare tra gli specchi di un laser) e un accoppiatore (come uno specchio parzialmente riflettente).
Il team ha poi scritto le equazioni della fisica che descrivono il comportamento del sistema e ha effettuato calcoli per vedere dove si sarebbe verificato il rumore quantistico nel sistema.
"Astraendo questo problema a un semplice oscillatore, possiamo individuare il punto in cui le fluttuazioni quantistiche entrano nel sistema, e entrano in due punti:l'amplificatore e l'accoppiatore che ci consente di ottenere un segnale dall'oscillatore", afferma Loughlin. "Se conosciamo queste due cose, sappiamo qual è il limite quantico sulla stabilità di quell'oscillatore."
Sudhir afferma che gli scienziati possono utilizzare le equazioni che espongono nel loro studio per calcolare il limite quantistico nei propri oscillatori.
Inoltre, il team ha dimostrato che questo limite quantistico potrebbe essere superato, se il rumore quantistico in una delle due sorgenti potesse essere “spremuto”. Il Quantum squeezing è l’idea di minimizzare le fluttuazioni quantistiche in un aspetto di un sistema a scapito di aumentare proporzionalmente le fluttuazioni in un altro aspetto. L'effetto è simile a spremere l'aria da una parte di un palloncino all'altra.
Nel caso di un laser, il team ha scoperto che se le fluttuazioni quantistiche nell'accoppiatore venissero ridotte, si potrebbe migliorare la precisione, o la tempistica delle oscillazioni, nel raggio laser in uscita, anche se di conseguenza aumenterebbe il rumore nella potenza del laser. .
"Quando trovi un limite della meccanica quantistica, c'è sempre qualche domanda su quanto sia malleabile quel limite?" Sudhir dice. "È davvero una fermata dura, o c'è ancora del succo che puoi estrarre manipolando un po' di meccanica quantistica? In questo caso, scopriamo che esiste, il che è un risultato applicabile a un'enorme classe di oscillatori."
Ulteriori informazioni: Hudson A. Loughlin et al, Rumore quantistico e sua evasione negli oscillatori con feedback, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42739-9
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
