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Il ‘bravo cameriere’ ispira gli studiosi del mondo quantistico

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Realizzato dall’Ino-Cnr, insieme all’Università e alla Scuola Normale di Pisa, il controllo ` ‘perfetto’ nel mondo dei quanti. Questo processo ‘superadiabatico’, veloce e resistente alle perturbazioni esterne, è importante per tecnologie attuali come la risonanza magnetica e per applicazioni future nell’ambito dei ‘supercomputer’ quantistici. Un gruppo di ricercatori pisani dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) dell’Università e del Nest della Scuola Normale ha sviluppato delle tecniche per rendere ancora più efficiente e veloce il controllo di sistemi che possono essere studiati con la fisica quantistica, come molecole, atomi e particelle. La ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Nature Physics. “Un cameriere che deve

portare un vassoio di bicchieri al tavolo di un cliente ha due scopi: farlo il più presto possibile e senza versare le bibite” spiega Oliver Morsch, primo ricercatore dell’Ino-Cnr e autore del lavoro. “In modo molto simile, nella fisica quantistica che descrive il comportamento della materia a livello dell’atomo o subatomico, spesso è necessario controllare lo stato di un oggetto in modo accurato e rapido”. Una tecnica utile in tal senso è ispirata proprio al problema del cameriere. “Una possibile strategia sarebbe portare il vassoio molto lentamente, tenendolo rigorosamente orizzontale in modo da non agitare le bibite, ma un bravo cameriere inclinerà il vassoio in maniera opportuna mentre cammina a passo sostenuto”, prosegue Morsch. “Nel linguaggio della fisica quantistica, il primo approccio si chiama ‘adiabatico’ e consiste nell’effettuare il controllo dell’oggetto molto lentamente. Il secondo, chiamato‘superadiabatico’, permette invece di accelerare il controllo in modo considerevole”.  Realizzando tali protocolli in un sistema  modello, composto da un gas di atomi molto freddi dentro dei cristalli artificiali  prodotti con la luce laser, i ricercatori di Pisa hanno dimostrato da un lato che la strategia del ‘bravo cameriere’ può essere applicata al mondo quantistico e dall’altro che essa non viene alterata da

eventuali variazioni del percorso. “Tale caratteristica è cruciale in applicazioni realistiche della fisica quantistica, visto che gli stati quantistici, cioè le rappresentazioni matematiche di un sistema quantistico come un atomo o una molecola, sono molto fragili e vengono facilmente perturbati da campi elettrici o magnetici presenti praticamente ovunque”, afferma il ricercatore Ino-Cnr. “La realizzazione sperimentale di protocolli superadiabatici, quindi, è un passo importante nella ricerca del miglior controllo quantistico possibile”. La scoperta potrebbe avere ricadute innovative e di grande importanza in vari rami della fisica: “Per esempio, nella risonanza magnetica bisogna controllare la direzione in cui punta lo spin nucleare delle molecole, che serve a descrivere lo stato delle particelle che costituiscono il nucleo dell’atomo ed è paragonabile all’ago magnetico di una bussola”, conclude Morsch. “Nelle tecnologie informatiche del futuro, invece, tali spin potranno essere utilizzati per creare dei bits quantistici, detti ‘qubits’, ovvero le unità d’informazione dei computer quantistici (mentre i bit sono le unità d’informazione dei computer classici), che permetteranno di fare calcoli complessi in tempi molto più rapidi di quelli raggiungibili con i computer di oggi”. Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) di Pisa; Università di Pisa; Nest della Scuola Normale di Pisa. Controllo superadiabatico di sistemi quantistici. Studio pubblicato su Nature Physics

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