La scienza della misurazione sta vivendo una vera e propria rivoluzione grazie alle recenti scoperte nel campo della fisica quantistica. Ricercatori del JILA, un istituto congiunto del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell’Università del Colorado Boulder, hanno sviluppato nuovi metodi per “intrecciare” o collegare le proprietà di un gran numero di particelle. Questi progressi potrebbero trasformare radicalmente i sensori quantistici e gli orologi atomici, aprendo nuove frontiere nella ricerca fisica fondamentale.
L’entanglement, o intreccio quantistico, è considerato il “Santo Graal” della scienza della misurazione. “Gli atomi sono i migliori sensori che esistano. Sono universali. Il problema è che sono oggetti quantistici, quindi intrinsecamente rumorosi. Quando li misuri, a volte si trovano in uno stato energetico, altre volte in un altro. Quando li intrecci, riesci a cancellare il rumore”, afferma Ana Maria Rey, fisica teorica e membro del JILA e del NIST.
Quando gli atomi sono intrecciati, ciò che accade a un atomo influisce su tutti gli atomi a esso collegati. Avere decine, o meglio ancora, centinaia di atomi intrecciati che lavorano insieme riduce il rumore e il segnale della misurazione diventa più chiaro e certo. Gli atomi intrecciati riducono anche il numero di volte che gli scienziati devono eseguire le loro misurazioni, ottenendo risultati in meno tempo.
Tuttavia, è più difficile intrecciare atomi che sono lontani l’uno dall’altro. Gli atomi hanno interazioni più forti con quelli più vicini; più gli atomi sono distanti, più deboli sono le loro interazioni. I fisici di tutto il mondo stanno cercando diversi modi per ottenere questo entanglement.
In un esperimento, un team ha allineato 51 ioni di calcio in una trappola e ha utilizzato laser per indurre interazioni tra di essi. Queste interazioni, simili a onde sonore, si diffondono lungo la linea di atomi, collegandoli tra loro. Aggiungendo campi magnetici esterni, è stato possibile rendere dinamici questi collegamenti, che crescono e cambiano nel tempo. In questo modo, un atomo che inizialmente poteva comunicare solo con un gruppo di atomi, alla fine è stato in grado di comunicare con tutti gli altri atomi nella matrice.
Il prossimo passo sarà provare questa tecnica con una matrice bidimensionale di atomi, aumentando il numero di atomi per migliorare la durata degli stati intrecciati. Inoltre, ciò potrebbe consentire agli scienziati di effettuare misurazioni più precise e molto più rapidamente.
L’entanglement tramite spin squeezing potrebbe anche beneficiare gli orologi atomici ottici, che sono uno strumento importante nella scienza della misurazione. Kaufman e il suo gruppo al JILA, insieme a collaboratori del gruppo NIST/JILA di Jun Ye, hanno testato un metodo diverso in un altro studio pubblicato su Nature.
I ricercatori hanno caricato 140 atomi di stronzio in un reticolo ottico, un singolo piano di luce per contenere gli atomi. Hanno utilizzato fasci di luce finemente controllati, chiamati pinzette ottiche, per posizionare gli atomi in piccoli sottogruppi da 16 a 70 atomi ciascuno. Con un laser ultravioletto ad alta potenza, hanno eccitato gli atomi in una sovrapposizione del loro solito stato “orologio” e uno stato Rydberg ad alta energia. Questa tecnica è chiamata Rydberg dressing.
Gli atomi nello stato orologio sono come le persone silenziose alla festa affollata; non interagiscono fortemente con gli altri. Ma per gli atomi nello stato Rydberg, l’elettrone più esterno è così lontano dal centro dell’atomo che l’atomo è effettivamente molto grande in dimensioni, consentendogli di interagire più fortemente con gli altri atomi.
Con questa tecnica di spin squeezing, è possibile creare entanglement in tutta la matrice di 70 atomi. I ricercatori hanno confrontato le misurazioni di frequenza tra gruppi di 70 atomi e hanno scoperto che questo entanglement ha migliorato la precisione al di sotto del limite per le particelle non intrecciate, noto come limite quantistico standard.
