Entanglement ad alta temperatura. I benefici per la scienza

Sono diversi, oggi, i campi di ricerca che si basano sul fenomeno fisico dell'entanglement quantistico: dal quantum computing, alla diagnostica per immagini alla neurochirurgia

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L’entanglement quantistico (in italiano correlazione quantistica) è quel processo che si manifesta quando sistemi microscopici – per esempio due atomi, due ioni o due fotoni – opportunamente preparati, stabiliscono tra i loro stati quantistici una correlazione, che si mantiene anche quando i componenti del sistema sono separati da grandi distanze.

L’elemento sconcertante è che se si effettua una misurazione di uno stato di una delle due particelle, allora in modo immediato e automatico si ottiene il valore dello stato correlato dell’altra particella, non importa quanto siano lontane tra loro.

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Gli stati di entanglement sono notoriamente poco stabili, e un lievissimo disturbo può determinarne l’interruzione. Per questo motivo, le attuali tecnologie quantistiche trovano molte difficoltà nell’isolare i sistemi microscopici da studiare, e operano solitamente a temperature prossime allo zero assoluto (circa -273 °C).

Presso l’Institut de Ciencies Fotoniques – ICFO (Barcellona – Spagna), un gruppo di ricercatori, guidati dal Prof. Jia Kong, ha condotto un esperimento, riscaldando un insieme di atomi fino alla temperatura di 450 Kelvin (circa 177 °C).

Entanglement ad alta temperatura: l’esperimento

Nell’esperimento, inoltre, gli atomi non erano isolati, ma formavano una sorta di gas caldo e caotico; tale configurazione del sistema ha quindi permesso agli atomi di urtarsi a vicenda, con la conseguente diffusione, in direzioni casuali, degli elettroni degli atomi incidenti.

Utilizzando un apposito laser, i ricercatori hanno monitorato il livello di magnetizzazione del gas atomico, generato dagli elettroni che ruotano attorno agli stessi atomi, e da cui si possono trarre importanti informazioni sugli effetti delle collisioni.

I ricercatori inoltre hanno osservato un numero elevato di atomi correlati, circa 100 volte superiore a quelli osservati prima.

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Dall’esperimento è anche emerso che il fenomeno dell’entanglement non è locale, ovvero può coinvolgere anche atomi che sono distanti tra loro. Tra due atomi correlati possono trovarsi migliaia di altri atomi, molti dei quali a loro volta sono correlati con altri atomi, in una sorta di enorme stato correlato, ad alte temperature e fortemente disordinato.

Il primo autore dello studio, Jia Kong, riferisce che se durante gli esperimenti si interrompono le misurazioni, lo stato di entanglement permane per circa 1 millisecondo; ciò significa che 1000 volte al secondo un nuovo insieme di 15 mila miliardi di atomi è soggetto al fenomeno della correlazione quantistica. E bisogna considerare che 1 ms è un tempo molto lungo su scala atomica, lungo abbastanza per permettere circa 50 collisioni casuali.

Questo dimostra chiaramente che l’entanglement, in maniera abbastanza sorprendente, non viene distrutto da questi eventi casuali.

L’osservazione di questo nuovo stato correlato, ad alta temperatura e disordinato, apre la strada per il rilevamento di campi magnetici ultrasensibili.

I principi alla base di questo filone sperimentale trovano, per esempio, applicazione nella magnetoencefalografia (MEG), una tecnica diagnostica medica non invasiva per la registrazione dell’attività elettrica del cervello.

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A differenza della elettroencefalografia (EEG), la MEG, attraverso dei sensori magnetici altamente sensibili, registra il campo magnetico generato dalle correnti intracraniche. La rilevazione dei campi magnetici viene effettuata proprio grazie all’utilizzo di questi gas ad alta temperatura e con elevata densità atomica.

Il risultato ottenuto è importante e, soprattutto, si auspica che questo enorme stato correlato possa condurre a migliorare ancora di più le prestazioni dei sensori in quelle applicazioni che vanno dalla diagnostica per immagini cerebrale alle autovetture a guida autonoma, fino alle ricerche sulla materia oscura.

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Da un punto di vista puramente metodologico, in questo studio i ricercatori dell’ICO hanno applicato la tecnica di misurazione detta di Non Demolizione Quantistica (QND), per estrarre informazioni sugli spin degli atomi.

Secondo questo procedimento, il gas formato dagli atomi viene attraversato da un fascio laser di fotoni a una ben determinata energia. Questi fotoni non eccitano gli atomi, ma vengono influenzati dalla loro presenza, in modo che gli spin degli stessi atomi agiscono come magneti per alterare la polarizzazione della luce.

Andando poi a misurare la variazione della polarizzazione dei fotoni dopo il passaggio attraverso la nuvola di atomi, è possibile determinare lo spin totale del gas di atomi.

Inoltre, i magnetometri utilizzati negli esperimenti operano in una modalità chiamata SERF (Spin Exchange Relaxation Free), in cui i magnetometri misurano i campi magnetici utilizzando dei laser per rilevare l’interazione tra gli atomi di un metallo alcalino in un vapore e un campo magnetico, lontano dalle temperature prossime allo zero assoluto che i ricercatori utilizzano di solito per studiare gli atomi correlati.

In questa modalità, ogni atomo effettua molte collisioni casuali con altri atomi circostanti. Inoltre, poiché essi si trovano in un ambiente a elevata temperatura, piuttosto che in uno a bassissima temperatura, le collisioni provocano una rapida diffusione casuale degli spin degli elettroni degli atomi coinvolti.

L’esperimento mostra, sorprendentemente, non solo che questo tipo di disturbo non rompe gli stati correlati, ma addirittura trasferisce l’entanglement da un atomo all’altro.