Sistemi quantistici e ambiente esterno. Su Pnas ricercatori fiorentini autori di uno studio di fisica

Pubblicata sulla rivista scientifica PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) una ricerca di fisica teorica sui sistemi quantistici e la relazione con l’ambiente che li circonda, realizzata nell’ambito di una collaborazione fra ricercatori del Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Ateneo fiorentino, dell’Istituto dei Sistemi Complessi del CNR e della ISIS Facility del Rutherford Appleton Laboratory, in associazione anche con l’INFN [“Parametric representation of open quantum systems and cross-over from quantum to classical environment” (Rappresentazione parametrica di sistemi quantistici aperti e cross-over da ambiente quantistico a classico) doi:10.1073/pnas.1217776110 ]”. L’articolo porta la firma di Dario Calvani (Università di Firenze e INFN), Alessandro Cuccoli (Università di Firenze e INFN), Nikitas Gidopoulos (Rutherford Appleton Laboratory e Università di Durham) e Paola Verrucchi (Istituto dei Sistemi Complessi del CNR, Università di Firenze,

INFN). “Quando osserviamo il mondo intorno a noi –  spiegano gli autori –  operiamo spesso una distinzione fra i diversi elementi che ne compongono l’immagine: alcuni di essi costituiscono l’oggetto di nostro diretto interesse, su cui concentriamo la nostra attenzione, mentre gli altri rappresentano l’ambiente circostante nel quale si inserisce il sistema”. Ma uno dei problemi fondamentali da affrontare, quando si ha a che fare con sistemi fisici, è capire se una descrizione completamente quantistica sia o meno necessaria: la natura segue le regole della meccanica quantistica, ma  una descrizione quantistica esatta sia del sistema principale che dell’ambiente, anche quando possibile, può condurci ad una rappresentazione così complicata da risultare poco comprensibile.“In un certo senso –  sintetizzano gli autori, usando un’analogia – è come se volessimo studiare il comportamento di alcune api in un campo fiorito, volendo mantenere una descrizione, la più dettagliata possibile, non solo delle api, ma anche di ogni fiore o singolo filo d’erba: ben presto finiremmo per perdere completamente di vista le nostre api.  Una soluzione potrebbe essere quella di mantenere la descrizione quantistica esatta del sistema principale, accontentandosi di una rappresentazione meno fedele dell’ambiente, come quella che deriva, per esempio, da una sua trattazione classica o statistica. Tornando alla nostra analogia, è come se rinunciassimo a mettere a fuoco il prato per privilegiare le api: i particolari di quest’ultime emergono chiaramente, ma si perdono informazioni importanti sul loro comportamento, come per esempio il fatto che la sosta di un’ape in una determinata posizione sia legata al suo essere posata su un fiore”. Tale

strategia ha portato a risultati straordinari in molti campi delle scienze nel secolo scorso, ma la sua incapacità  di descrivere compiutamente le correlazioni fra un sistema quantistico ed il suo ambiente – in particolare l’entanglement, fenomeno per cui la conoscenza dello stato quantico di un sistema composto da due o più sottoinsiemi non coincide con la conoscenza dello stato dei singoli componenti – costituisce un ostacolo insormontabile quando si affrontino temi di frontiera, come la progettazione dei computer quantistici o lo studio degli effetti quantistici nei processi biologici. Lo studio pubblicato su PNAS propone un modo per superare tali ostacoli attraverso una nuova rappresentazione esatta dei sistemi quantistici in interazione con un ambiente esterno, i cosiddetti sistemi quantistici aperti. Tale rappresentazione permette di ridurre in modo graduale la “nitidezza” con cui vengono descritte le caratteristiche quantistiche dell’ambiente senza intaccare la completezza della descrizione del sistema principale, così da mantenere evidenti gli effetti delle correlazioni quantistiche sul comportamento di quest’ultimo, anche quando l’ambiente diventi tanto grande e complesso da non poter più essere descritto quantisticamente. “Se ritorniamo alla nostra analogia –  spiegano ancora gli autori – potremmo dire che questo lavoro mostra come sia possibile proporre una descrizione teorica in grado di rappresentare i sistemi quantistici aperti in modo simile ad un’immagine nella quale, oltre ad ogni singolo dettaglio del comportamento delle api, si riescono a mantenere anche le informazioni rilevanti sulle sue correlazioni

con la struttura del prato sottostante”.  Questa nuova rappresentazione è stata  applicata allo studio di un particolare sistema quantistico aperto, la stella di spin, spesso utilizzato come modello paradigmatico per descrivere il comportamento di nano-dispositivi quantistici. In tale modello un qubit, cioè l’elemento fondamentale di informazione di un calcolatore quantistico, è posto al centro di una struttura a stella costituita da un numero arbitrario di altri oggetti quantistici elementari che rappresentano l’ambiente con cui il qubit interagisce. All’aumentare del numero di oggetti che compongono l’ambiente, questo perde via via il suo carattere quantistico, ed assume un comportamento sempre più classico. “Un’importante conseguenza dell’applicazione della nuova rappresentazione  alla stella di spin –  concludono gli autori – è che  il suo entanglement con il qubit viene a manifestarsi  nella cosiddetta fase di Berry (dal nome di Sir Michael Berry, che la introdusse agli inizi degli anni ’80 del secolo scorso), che è una quantità misurabile.  Si apre quindi la possibilità di studiare sperimentalmente le proprietà di entanglement fra sistema principale ed ambiente che, per quanto elusive e finora relegate al mondo dell’infinitamente piccolo, si stanno oggi rivelando una risorsa fondamentale per comprendere e controllare fenomeni, anche macroscopici, come la comunicazione di informazione quantistica a grande distanza o processi biologici come la fotosintesi clorofilliana”. Fonte: Università degli studi di Firenze. —– Su Pnas ricercatori fiorentini autori di uno studio di fisica teoria. — http://goodnews.ws/


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