Il limite di velocità si applica anche al mondo quantistico
Anche nel mondo delle particelle più piccole con le sue regole speciali, tutto non può andare infinitamente veloce. I fisici dell'Università di Bonn hanno dimostrato qual è il limite di velocità per operazioni quantistiche complesse.
Allo studio hanno preso parte anche scienziati del Massachusetts Institute of Technology, delle università di Amburgo, Colonia e Padova e del Julich Research Center. I risultati ottenuti sono importanti, in particolare, per l'implementazione dei computer quantistici. Sono pubblicati sulla rivista Physical Review X e trattati sulla rivista Physics of the American Physical Society.
Supponiamo che tu stia guardando un cameriere che deve servire un intero vassoio di bicchieri di champagne a Capodanno, pochi minuti prima di mezzanotte. Si precipita da ospite a ospite alla massima velocità. Grazie alla sua tecnica, affinata negli anni, riesce comunque a non far fuoriuscire una sola goccia di prezioso liquido.
Un piccolo trucco lo aiuta in questo: mentre il cameriere accelera il passo, inclina leggermente il vassoio in modo che lo champagne non fuoriesca dai bicchieri. A metà strada verso il tavolo, lo inclina nella direzione opposta e rallenta. Solo quando si ferma completamente lo tiene di nuovo in piedi.
Gli atomi sono un po 'come lo champagne. Possono essere descritte come onde di materia che non si comportano come una palla da biliardo, ma piuttosto come un liquido. Pertanto, chiunque desideri spostare gli atomi da un luogo all'altro il più rapidamente possibile deve essere abile come un cameriere a Capodanno.
E anche allora c'è un limite di velocità che questo trasporto non può superare ”, spiega il dott. Andrea Alberti, che ha guidato la ricerca presso l'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Bonn.
Nel loro studio, gli scienziati hanno studiato sperimentalmente dove si trova esattamente questo limite. Hanno utilizzato un atomo di cesio in sostituzione dello champagne e due raggi laser perfettamente sovrapposti l'uno sull'altro, ma diretti l'uno contro l'altro come un vassoio. Questa sovrapposizione, chiamata interferenza dai fisici, crea un'onda di luce stazionaria: una serie di picchi e valli che inizialmente non si muovono. Abbiamo caricato un atomo in uno di questi avvallamenti e poi abbiamo messo in moto un'onda stazionaria - questo ha spostato la posizione del trogolo stesso, dice Andrea Alberti. - Il nostro obiettivo era di portare l'atomo nel posto giusto nel più breve tempo possibile, senza schizzarlo, per così dire, fuori dalla cavità.
Il fatto che ci sia un limite di velocità nel microcosmo è stato già teoricamente dimostrato da due fisici sovietici: Leonid Mandelstam e Igor Tamm più di 60 anni fa. Hanno dimostrato che la velocità massima di un processo quantistico dipende dall'incertezza energetica, cioè da quanto è “libera” la particella manipolata in relazione ai suoi possibili stati energetici: più libertà di energia ha, più è veloce.
Nel caso del trasferimento di atomi, ad esempio, più profonda è la cavità in cui cade l'atomo di cesio, più le energie degli stati quantistici sono sparse lì, e alla fine più velocemente l'atomo può essere trasferito. Qualcosa di simile si può vedere nell'esempio di un cameriere: se si riempie i bicchieri solo a metà, corre meno il rischio di fuoriuscita di champagne quando accelera e rallenta. Tuttavia, la libertà energetica di una particella non può essere aumentata arbitrariamente. Non possiamo rendere la nostra depressione infinitamente profonda - ci costerà troppe energie - sottolinea Alberti.
Il limite di velocità di Mandelstam e Tamm è un limite fondamentale. Tuttavia, può essere ottenuto solo in determinate circostanze, vale a dire in sistemi con due stati quantistici.
Nel nostro caso, ad esempio, ciò accade quando il punto di partenza e quello di destinazione sono molto vicini tra loro, spiega il fisico. -Quindi, le onde di materia dell'atomo in entrambi i punti si sovrappongono l'una sull'altra e l'atomo può essere consegnato direttamente a destinazione in una volta, cioè senza fermate intermedie - quasi come il teletrasporto sull'astronave Enterprise da Star Trekking.
Tuttavia, la situazione è diversa quando la distanza aumenta fino a diverse decine di lunghezze d'onda della materia, come nell'esperimento di Bonn. Per tali distanze, il teletrasporto diretto è impossibile. Invece, la particella deve attraversare diversi stati intermedi per raggiungere la sua destinazione finale: un sistema a due livelli diventa un sistema a più livelli.
Lo studio mostra che a tali processi è applicabile un limite di velocità inferiore a quello previsto dai due fisici sovietici: è determinato non solo dall'incertezza energetica, ma anche dal numero di stati intermedi. Pertanto, il lavoro migliora la comprensione teorica dei processi quantistici complessi e dei loro limiti.
Le scoperte dei fisici sono importanti non da ultimo per il calcolo quantistico. I calcoli possibili con i computer quantistici si basano principalmente sulla manipolazione di sistemi a strati. Tuttavia, gli stati quantistici sono molto fragili. Durano solo per un breve periodo di tempo, che i fisici chiamano tempo di coerenza.
Pertanto, è importante imballare quante più operazioni di calcolo possibili in questo momento. La nostra ricerca mostra il numero massimo di operazioni che possiamo eseguire durante il tempo di coerenza, spiega Andrea Alberti. Ciò consente di utilizzarlo in modo ottimale.