Un team di ricercatori del Niels Bohr Institute – Università di Copenhagen – è riuscito a creare un effetto entanglement tra due oggetti quantistici molto diversi. Il risultato, pubblicato su Nature Physics, ha una serie di potenziali applicazioni, che vanno dal rilevamento ad alta precisione alla comunicazione quantistica.
Il fenomeno dell’entanglement è alla base della comunicazione quantistica e del rilevamento quantistico. Può essere considerato come un legame quantistico tra due oggetti, in modo che essi si comportino come un’unica entità.
I ricercatori sono riusciti a creare questo effetto entanglement tra un oscillatore meccanico – una membrana vibrante dielettrica – e una nuvola di atomi; ognuna delle due entità si comporta come un piccolo magnete, o, come sono soliti definirlo i fisici, uno spin. È stato possibile creare un entanglement tra questi due oggetti, completamente differenti, connettendoli con fotoni, particelle di luce. Gli atomi possono essere utilizzati per processare un’informazione quantistica e la membrana – o un qualunque sistema meccanico quantistico – può essere usata per la conservazione di informazioni quantistiche.
Il prof. Eugene Polzik, responsabile della ricerca, asserisce che con questa nuova tecnica si sta intraprendendo la giusta via per testare i limiti dell’entanglement. Più sono grandi gli oggetti, più sono distanti e differenti fra di loro, e più l’effetto entanglement acquisisce interesse da un punto di vista di fisica fondamentale e delle applicazioni. I risultati di questa ricerca confermano che l’entanglement tra oggetti molto diversi è diventato possibile.
Per comprendere l’entanglement, relativamente all’esempio degli spin intrecciati in una membrana meccanica, si immagini la posizione di una membrana vibrante e l’inclinazione dello spin totale di tutti gli atomi, simili a una trottola. Se entrambi gli oggetti hanno un moto casuale, ma se osservati, si muovono a destra o a sinistra contemporaneamente, allora si ha una correlazione. Questo moto correlato, normalmente, è limitato dal cosiddetto moto di punto zero – il moto residuale, non correlato, di tutta la materia che si verifica anche alla temperatura dello zero assoluto. Ciò limita la conoscenza su ogni tipo di sistema.
Nel loro esperimento, il gruppo danese è riuscito a creare un entanglement tra i due sistemi, facendo sì che essi si muovessero in modo correlato, con una precisione migliore di quella del moto del punto zero. La meccanica quantistica è come un’arma a doppio taglio – ci dà delle nuove e meravigliose tecnologie, ma nello stesso tempo pone dei limiti alle misurazioni che, invece, da un punto di vista classico, sarebbero abbastanza semplici. I sistemi legati da un entanglement possono rimanere perfettamente correlati anche se si trovano molto distanti fra di loro – una caratteristica che ha lasciato perplessi i ricercatori sin dalla nascita della meccanica quantistica, più di un secolo fa.
Cerchiamo di comprendere ancora meglio la situazione. Si pensino i diversi modi in cui si possono realizzare degli stati quantistici, come una sorta di insiemi di realtà o situazioni diverse, con qualità e potenzialità diverse. Se, per esempio, si volesse costruire un qualunque tipo di dispositivo, per sfruttare le diverse qualità possedute e nei quali possano sviluppare funzioni diverse e svolgere compiti diversi, sarebbe necessario inventare un linguaggio esprimibile contemporaneamente da tutti gli stati. Gli stati quantistici hanno la necessità di comunicare, per poter utilizzare tutto il potenziale del dispositivo. L’entanglement tra due elementi, riscontrato nella ricerca, ha dimostrato che è possibile creare una comunicazione tra stati quantistici differenti.
Uno specifico esempio di applicazione dell’entanglement tra due oggetti quantistici diversi è dato dal rilevamento quantistico. Oggetti diversi reagiscono diversamente ad azioni esterne differenti. Per esempio, gli oscillatori meccanici vengono utilizzati come accelerometri e sensori di forze, mentre gli spin atomici vengono utilizzati come magnetometri. Quando solo uno dei due oggetti legati è soggetto a una perturbazione esterna, l’entanglement gli permette di essere misurato con una sensibilità che non risente del limite delle fluttuazioni di punto -zero dell’oggetto.
Ci sarebbe una possibilità immediata di applicazione della tecnica nel rilevamento di oscillatori, sia piccoli che grandi. Una delle più grandi scoperte scientifiche degli ultimi anni è stato il rilevamento delle onde gravitazionali, grazie all’attività del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). Il LIGO rileva e misura onde estremamente piccole, generate da eventi astronomici nello spazio più profondo, come fusioni di buchi neri o di stelle di neutroni. L’osservazione delle onde è possibile, perché esse vanno a influenzare la posizione degli specchi dell’interferometro. Ma, anche la sensibilità di LIGO è limitata dalla meccanica quantistica, perché anche gli specchi dell’interferometro laser risentono delle fluttuazioni di punto zero. Queste fluttuazioni generano un rumore che influenza l’osservazione del leggero movimento degli specchi causato dalle onde gravitazionali.
In teoria, sarebbe possibile creare un effetto entanglement degli specchi del LIGO con una nuvola atomica, e quindi eliminare il rumore di punto zero degli specchi, come accade per il rumore della membrana nell’esperimento trattato in questo articolo. La perfetta correlazione tra gli specchi e gli spin atomici, dovuta al loro entanglement, potrebbe essere utilizzata in determinati sensori per eliminare virtualmente ogni incertezza. Si dovrebbe semplicemente acquisire l’informazione da uno dei sistemi e applicare quanto appreso all’altro sistema. In questo modo, si potrebbe conoscere contemporaneamente la posizione e il momento degli specchi del LIGO, entrando quindi in un cosiddetto sottospazio libero dalla meccanica quantistica e compiendo un passo avanti verso misurazioni del moto con precisione illimitata. Presso il laboratorio del prof. Eugene Polzik è stato implementato un esperimento-tipo che dimostra proprio questo principio.
Fonte: phys.org
