Creato un movimento quantistico da record

Mettendo in mostra un controllo preciso a livello quantistico, i fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un metodo per fare in modo che un ione (atomo caricato elettricamente) mostri quantità esatte di movimento a livello quantico - qualsiasi quantità specifica fino a 100 pacchetti di energia o “quanti”, più di cinque volte il precedente massimo record di 17.

La meccanica quantistica, la teoria fondamentale del mondo atomico, afferma che l'energia viene rilasciata o assorbita in piccoli pacchi, o pacchetti, chiamati quanti. Gli atomi rilasciano energia luminosa irradiando fotoni o quanti di luce. Se catturati in una trappola dai ricercatori, l'energia motoria degli atomi viene trasportata dai fononi o quanti di movimento.

Oltre a creare singoli numeri di quanti, il team di scienziati del NIST ha controllato il movimento a pendolo del proprio ione per mostrare contemporaneamente due diverse quantità di quanti: zero (movimento minimo) più qualsiasi il numero fino a 18. Tale “sovrapposizione” di due stati è un segno distintivo del curioso mondo quantistico.

Pubblicati di recente su Nature, (1) i nuovi metodi potrebbero essere utilizzati con qualsiasi oscillatore meccanico quantistico, compresi i sistemi che oscillano come un semplice pendolo o vibrano come una molla.

Le tecniche potrebbero portare a nuovi tipi di simulatori e sensori quantistici che utilizzano i fononi come vettori di informazioni. Inoltre, la capacità di personalizzare gli stati di sovrapposizione può migliorare le misurazioni quantistiche e l'elaborazione delle informazioni quantistiche. L'uso dello ione in una sovrapposizione come strumento di misurazione della frequenza ha più che raddoppiato la precisione rispetto alle misurazioni convenzionali della frequenza di vibrazione dello ione.

La dottoressa Katie McCormick, prima autrice dello studio, afferma: “se abbiamo il controllo quantico di un oggetto, possiamo piegare le regole classiche per avere minori incertezze in certe direzioni desiderate a scapito di maggiori incertezze in altre direzioni. Possiamo quindi utilizzare lo stato quantico come righello per misurare le proprietà di un sistema. Maggiore è il controllo quantico che abbiamo, più le linee sul righello sono ben distanziate, permettendoci di misurare le quantità in modo sempre più preciso. Gli esperimenti sono stati condotti con un singolo ione berillio tenuto 40 micrometri sopra gli elettrodi d'oro di una trappola elettromagnetica refrigerata. I nuovi risultati sono stati possibili perché i ricercatori del NIST sono stati in grado di ridurre al minimo i fattori indesiderati come i campi elettrici vaganti che scambiano energia e interrompono lo ione.”

Per aggiungere fononi allo ione, la ricercatrice del NIST alterna impulsi laser ultravioletti appena sopra e sotto la differenza di frequenza tra due stati di “spin” o configurazioni di energia interna. Ogni impulso ha invertito lo ione da “spin up” a “spin down” o viceversa, con ogni vibrazione che aggiunge un quantum di movimento di oscillazione ionica. Per creare sovrapposizioni, i ricercatori hanno applicato quegli impulsi laser solo a metà della funzione d'onda dello ione (il modello ondulato della probabilità della posizione della particella e dello stato di rotazione). L'altra metà della funzione d'onda era in un terzo stato di spin che non era influenzato dagli impulsi laser e rimaneva immobile.

Le sovrapposizioni dello stato immobile (o di massa) dello ione e un numero di fononi più elevato hanno dato ai ricercatori del NIST una sensibilità o precisione di misurazione “potenziata dal punto di vista quantico”. Essi hanno usato lo ione come interferometro, uno strumento che divide e fonde due onde parziali per creare un modello di interferenza che può essere analizzato per caratterizzare la frequenza. I ricercatori del NIST hanno usato l'interferometro per misurare la frequenza di oscillazione dello ione con un'incertezza inferiore a quella normalmente possibile.

In particolare, la precisione della misurazione è aumentata linearmente con il numero di quanti di movimento, fino a ottenere le migliori prestazioni nello stato di sovrapposizione 0 e 12, che offriva più del doppio della sensibilità di uno stato quantico a comportamento classico (tecnicamente composto da un insieme di stati numerici). Anche lo stato di sovrapposizione 0 e 12 era più di sette volte più preciso della sovrapposizione dell'interferometro più semplice di 0 e 1.

Per capire perché gli stati di sovrapposizione aiutano a misurare la frequenza di oscillazione dello ione in modo più preciso, la dottoressa Katie McCormick suggerisce di immaginare una ruota con raggi.

“In un certo spazio astratto che descrive la posizione e il momento dello ione, l'oscillazione è rappresentata da una rotazione”, ha detto la McCormick. “Vogliamo essere in grado di misurare questa rotazione in modo molto preciso. Le sovrapposizioni dello stato di movimento fondamentale dello ione e gli stati di numero più elevato sono un grande righello per questa misurazione perché, in questa rappresentazione astratta, possono essere visualizzati come una ruota con raggi. Questi raggi possono essere usati per determinare la quantità di rotazione dello stato. E più alto è lo stato dei numeri, più raggi ci sono e più precisamente possiamo misurare questa rotazione.”

La sensibilità di misurazione offerta dagli stati di sovrapposizione dovrebbe aiutare a caratterizzare e ridurre il rumore nel movimento, un'importante fonte di errore che i ricercatori vogliono minimizzare nell'elaborazione delle informazioni quantistiche con ioni intrappolati.

Il lavoro è stato supportato dall'Intelligence Advanced Research Projects Activity, l'Army Research Office, e dal'Office of Naval Research.

Riferimenti:

(1) Quantum-enhanced sensing of a single-ion mechanical oscillator

Descrizione foto: La fisica del NIST Katie McCormick regola uno specchio per guidare un raggio laser utilizzato per raffreddare uno ione berillio intrappolato (atomo caricato elettricamente). McCormick e colleghi hanno ottenuto lo ione per visualizzare livelli record di movimento quantistico, un progresso che può migliorare le misurazioni quantistiche e il calcolo quantistico. - Credit: Burrus/NIST.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: NIST Physicists Create Record-Setting Quantum Motion