Prodotti per la prima volta gli stati quantici di ioni vibranti

Da decenni i fisici quantistici lavorano per realizzare un sogno: controllare singoli atomi, molecole o altre minuscole particelle che obbediscono alle leggi della fisica quantistica in modo così preciso da poter essere utilizzate per costruire nuovi tipi di computer e altre macchine. Tuttavia, molte tecniche di controllo che sono semplici nel mondo classico delle cose grandi e quotidiane diventano estremamente difficili quando si cerca di applicarle agli oggetti più piccoli. Prendiamo, ad esempio, una biglia che giace sul fondo di un'insalatiera. Per far oscillare la biglia nella ciotola, basta scuoterla velocemente da un lato e poi di nuovo dall'altro. Grazie alla sua inerzia, la biglia rotolerà su e giù nella ciotola, poi su e giù dall'altro lato, e così via.

Joseba Alonso e Florian Leupold, postdoc nel gruppo del professor Jonathan Home dell'ETH, e i loro colleghi hanno sviluppato una tecnica che permette di ottenere l'equivalente della biglia vibrante con singoli atomi intrappolati in campi elettrici. I loro risultati stabiliscono un nuovo record per la vibrazione di stati quantistici di particelle massive e potrebbero essere utili per accelerare i passaggi di un computer quantistico.

Nel regno della fisica quantistica, un atomo elettricamente carico (noto anche come ione) che oscilla in una "insalatiera" di campi elettrici può assumere solo alcuni stati di moto ben definiti o quantizzati, ordinati in termini di energia come i pioli di una scala. Il piolo più basso di questa scala corrisponde a uno ione stazionario (o quasi, perché le particelle quantistiche hanno sempre un moto piccolo, il cosiddetto punto zero). Finora, negli esperimenti tipici in cui si voleva far oscillare uno ione, si dirigevano sull'atomo raggi laser o campi elettrici oscillanti con una certa frequenza. Questi provocavano una lenta ascesa dello ione verso stati quantici più elevati. In questo modo è stato possibile generare stati vibrazionali corrispondenti a circa il centesimo gradino.

Risolto il problema della commutazione

Alonso e i suoi colleghi hanno scelto un metodo diverso, a prima vista molto meno delicato, noto come "bang-bang". Un campo elettrico acceso all'improvviso ha fatto spostare la posizione dell'insalatiera elettrica su un lato. Ciò ha provocato una forte vibrazione dello ione, proprio come la biglia dell'esempio precedente. In pratica, lo ione è saltato direttamente al decimillesimo gradino della scala degli stati quantistici. "Questa tecnica bang-bang può produrre stati quantistici altamente eccitati in modo molto efficiente, ma finora ci sono stati problemi tecnici nella sua realizzazione pratica", spiega Alonso. Una sfida particolare è stata la rapida commutazione dei campi elettrici nell'apparato a vuoto in cui si trova lo ione intrappolato.

Il team del professore Home ha risolto il problema posizionando un interruttore digitale all'interno dell'apparato, molto vicino allo ione. In questo modo è stato possibile commutare i campi della trappola elettrica in pochi miliardesimi di secondo, muovendo così la parabola molto più velocemente di quanto lo ione possa reagire, cioè più velocemente della durata di un'oscillazione completa dello ione nella parabola.

Accelerazione del trasporto ionico

Per dimostrare che lo ione si trovava effettivamente in uno stato quantistico ben definito dopo il primo "bang", i ricercatori hanno effettuato un test in cui è stato utilizzato un secondo "bang" dopo un periodo di oscillazione. In questo modo lo ione dovrebbe essere intrappolato esattamente nella sua posizione iniziale e poi rimanere fermo. Lo ione ha superato il test, dimostrando che la coerenza è stata mantenuta durante tutta la procedura e che la nuova tecnica di controllo sperimentale era sufficientemente accurata per lo studio degli effetti quantistici.

Il metodo ora dimostrato da l'ETH potrebbe accelerare il trasporto di ioni in un computer quantistico, ad esempio, che finora ha rappresentato un collo di bottiglia nella velocità complessiva di tale computer. Il numero quasi illimitato di stati quantistici oscillanti degli ioni potrebbe anche rappresentare un'alternativa all'approccio standard nell'elaborazione dell'informazione quantistica, in cui vengono utilizzati solo due stati energetici interni (bit quantistici) per eseguire calcoli che non sono fattibili sugli attuali computer classici.

Test di interazione con la luce

A un livello di principio, questi enormi stati vibrazionali sono anche eccellenti per testare come gli stati quantistici estesi interagiscono con la luce. "Esistono calcoli teorici al riguardo", spiega Alonso, "ma non erano mai stati testati con stati che, come il nostro, sono molto più grandi della lunghezza d'onda del laser. Con la nuova tecnologia, ora possiamo confermare i calcoli in modo molto preciso".

La capacità di produrre stati di moto di uno ione sia piccoli che molto grandi aiuterà i ricercatori a capire cosa succede al confine tra il mondo quantistico e quello classico.