Science, 11 Mar 94, Vol. 263, pg. 1376 - Gary Taubes - Il principio di Heisenberg alla base della meccanica quantistica afferma che ogni misura disturba il sistema in modo impredicibile, cioè ogni volta che si apre una finestra per guardare lo stato di un sistema quantistico si fanno entrare delle fluttuazioni. Esistono però dei criteri per aggirare le difficoltà ed estrarre informazioni da un sistema quantistico senza disturbare la variabile da misurare. È il concetto del quantum non demolition, o QND, in teoria una misura che supera il limite quantistico, ma non introduce rumore nel segnale. La strategia è di usare due impulsi di luce che interagiscono in un mezzo non lineare. Il raggio di misura preleva l’informazione dal raggio principale attraverso l’interazione non lineare che influenza la sua fase ed apparentemente non c’è disturbo.
Science, 8 Jul 94, Vol. 265, pg. 184 - Gary Taubes - Se si raffredda sufficientemente un gas a pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto questo raggiungerà uno stato quanto-meccanico noto come condensazione di Bose-Einstein (BEC). Questo nuovo stato della materia, ipotizzato da Einstein nel 1925 e teorizzato dal fisico indiano Nath Bose, può somigliare alla superconduttività ed alla superfluidità per la quale sparisce la viscosità. Einstein osservò che raffreddando un gas la velocità di ciascun atomo tende a zero e per la meccanica quantistica l’incertezza della loro posizione aumenta, le funzioni d’onda degli atomi si fondono e si crea un fluido con proprietà termodinamiche e quantistiche completamente nuove. Il raggiungimento delle basse temperature necessarie può essere ottenuto prima raffreddando con elio liquido dell’idrogeno con gli spin polarizzati ed intrappolato in un campo magnetico, quindi riducendo il campo magnetico a piccoli passi e lasciando che gli atomi più caldi sfuggano (evaporino) raffreddando così il gas rimanente; con questo metodo, detto di evaporazione forzata, si sono raggiunti 100 microkelvin. Un altro metodo più efficiente è quello laser: viene bombardato il materiale con radiazioni laser ad una frequenza di poco al di sotto di quella che è capace di assorbire, gli atomi che si muovono più velocemente verso la sorgente laser la vedono a frequenza maggiore quanto basta per assorbirla e sfuggire, questo riduce l’energia del materiale rimasto e lo raffredda; si sono ottenuti così fino a 700 nanokelvin, ma il metodo è applicabile più facilmente con il sodio o il rubidio.
Science, 26 May 95, Vol. 268, pg. 1129 - Robert Pool - La rivoluzione quantistica del 1920 ha introdotto l’idea che sia le particelle elementari che le molecole ed anche oggetti più grandi possono essere considerate come onde che si propagano attraverso lo spazio. La lunghezza d’onda degli oggetti più grandi è però così piccola che è difficile da discernere. La tecnica per discernere queste onde è quella interferometrica ed i fisici hanno cercato di realizzare nell’ultima decade specchi, lenti e reticoli di interferenza per manipolare fasci di atomi come fasci di luce. Il problema è che la tipica lunghezza d’onda di un atomo è di una frazione di ångström mentre i reticoli sono dell’ordine di centinaia di nanometri. Gli interferometri per atomi possono permettere di misurare l’indice di rifrazione di vari gas rivelando come modificano la fase degli atomi e quindi la figura di interferenza. La figura di interferenza si modifica inoltre con la gravità consentendo la sua misura; inoltre gli interferometri per atomi possono servire come giroscopi perché rivelano i piccoli moti di rotazione.
Science, 14 Jul 95, Vol. 269, pg. 152 - Gary Taubes - Il 5 giugno scorso i fisici dell’università del Colorado sono riusciti a creare un nuovo stato della materia noto come Bose-Einstein condensate (BEC), un gas raffreddato a 180 nanokelvin e così denso che gli atomi perdono la loro identità e formano uno stato coerente nel quale le leggi microscopiche della meccanica quantistica regolano il comportamento a livello anche macroscopico. 70 anni fa Einstein ed il fisico indiano Nath Bose predissero questo stato della materia, ma le loro proprietà erano ancora sconosciute. La strategia per realizzare questo nuovo stato è stata quella di raffreddare gli atomi di rubidio-87 intrappolati in un campo magnetico lasciando che gli atomi a più alta energia evaporino dalla trappola lasciando quelli più freddi. Alla fine il condensato consiste di poche migliaia di atomi in una sfera di 10 micron troppo piccola per misurare se l’energia degli atomi era scesa al livello del BEC. Per la misura si è ricorso allora al metodo detto dell’espansione balistica. Questo consiste nel togliere la trappola magnetica e lasciare espandere il gas; si forma una nuvola in espansione nella quale si può misurare la distribuzione delle velocità mediante un laser; si trova un picco di densità al centro che viene confrontato con quello previsto per il BAC. Nell’esperimento del 5 giugno è stato raggiunto il picco di densità previsto.
Science, 14 Jul 95, Vol. 269, pg. 182 - Keith Burnett - La condensazione di particelle atomiche in uno stesso stato quantico (BAC) è il fenomeno previsto da Bose-Einstein e verificato per la prima volta il mese scorso presso l’università del Colorado. Solo i bosoni (particelle di Bose-Einstein o a spin 1/2) sono in grado di occupare lo stesso stato quantico; le particelle dette fermioni (particelle di Fermi-Dirac o a spin intero) come gli elettroni obbediscono invece al principio di esclusione di Pauli per il quale non possono occupare in un atomo uno stesso stato quantico e per questo l’elettrone esiste come particella elementare stabile mentre i bosoni esistono facilmente in forma stabile solo se composti. La formazione di materia condensata si ha quando le onde associate all’atomo si sovrappongono, ma le interazioni chimiche avvengono già a distanze molto più grandi. Raffreddando gli atomi aumentano le dimensioni dell’onda associata fino a che si verifica la loro sovrapposizione a distanza sufficientemente grande ed allora tutti gli atomi si portano allo stesso livello quantico, generalmente quello più basso.
Science, 10 Nov 95, Vol. 270, pg. 913 - Andrew Watson - La teoria quantistica si avvicina al suo 100° anniversario ed i ricercatori cercano ancora di provare che sia vera nonostante i suoi grandi successi nello spiegare tutto, dai sistemi elettronici alle reazioni nucleari. Ciò che lascia perplessi è però come le particelle o i fotoni possano cambiare il loro comportamento in funzione di una decisione non ancora presa. Un nuovo esperimento è stato eseguito presso l’università di Innsbruck in Austria mostrando come la natura ondulatoria di un fotone può essere resuscitata anche dopo che sia stato indotto a comportarsi come particella. Questo dimostra come un esperimento in un posto possa influenzare il risultato in un altro posto ed in un tempo diverso (non località). Se i fotoni di una sorgente sono inviati uno ad uno attraverso due fessure e poi ricombinati formano un pattern di interferenza, ma se si riesce a tracciare uno dei percorsi l’interferenza sparisce, cioè se i percorsi sono distinguibili i fotoni si comportano come particelle, se sono indistinguibili si comportano come onde. Il nuovo esperimento rende prima i due percorsi distinguibili, ma cancella l’informazione di “quale percorso” prima che i fotoni arrivino sullo schermo e per questo viene chiamato “eraser experiment”. Il risultato di questo esperimento dimostra che il mondo si comporta in modo strano così come prevede la meccanica quantistica.
Science, 1 Dec 95, Vol. 270, pg. 1439 - James Glanz - Secondo la meccanica quantistica le quantità fisiche non hanno una realtà fino a quanto un esperimento non ne misuri il valore. Le quantità fisiche non misurate hanno solo una esistenza potenziale con un campo di possibili valori descritti da una legge di probabilità. Einstein riteneva che anche le quantità non misurate dovevano esistere in uno stato definito, l’ipotesi di “realismo locale” di Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) formulata nel 1935, secondo cui se certe quantità possono essere predette con certezza hanno un elemento di realtà, porta ad una contraddizione come ha dimostrato il gruppo di Rochester: è il caso della coppia di fotoni creati con polarizzazioni correlate, quando uno viene misurato anche l’altro è determinato, ma se non viene misurato l’indeterminazione rimane. A metà degli anni ‘60 il fisico John Bell del CERN propose un metodo usando due particelle con spin accoppiati che dovrebbe essere più sensibile ed efficiente.
Science, 24 May 96, Vol. 272, pg. 1101 - Gary Taubes - Sessanta anni fa Erwin Schrödinger descrisse il diabolico dispositivo con un gatto chiuso in una scatola la cui vita dipendeva dal decadimento di una sostanza radioattiva. La sostanza aveva il 50% di probabilità di decadere in un’ora e, se ciò si verificava, un rivelatore faceva emettere un veleno che uccideva il gatto. L’indeterminazione quantistica si traduceva in un’indeterminazione macroscopica ed il gatto si veniva a trovare in una condizione per metà vivo e per metà morto. Da allora i fisici si sono chiesti se la stranezza del mondo dei quanti svanisce quando il fenomeno viene ingrandito fino a dimensioni macroscopiche. I fisici del National Institute of Standard and Technology (NIST) del Colorado hanno pensato ad un esperimento più realistico. Uno ione di berillio viene intrappolato in modo elettromagnetico ed eccitato nella sovrapposizione di due stati quantici, quindi si separano i due stati fisicamente in modo da porli in due locazioni diverse interagendo con dei raggi laser accordati. Si può arrivare ad una distanza di 80 nanometri più grande delle dimensioni dello stesso ione. Questo dovrebbe essere un modo di decorrelare il sistema facendogli perdere la sua capacità di esistere simultaneamente nei due stati.
Science, 6 Sep 96, Vol. 273, pg. 1351 - David Snoke - Gli eccitoni sono un quanto di eccitazione elettrica nei solidi e consistono in una coppia di elettrone e buco a formare una coppia neutra come un atomo di idrogeno. Si può creare un fascio coerente di eccitoni così come con un laser si genera un fascio coerente di fotoni. Gli eccitoni trasportano solo energia, hanno una vita breve, dell’ordine di microsecondi, e si comportano come particelle massive e quindi con una lunghezza d’onda associata molto piccola. In certi materiali i fotoni si possono convertire in eccitoni che si propagano liberamene nel materiale e, quando si ricombinano, generano un altro fotone. Gli eccitoni sono bosoni come i fotoni e, poiché hanno massa, nella forma coerente si comportano come un superfluido, come nel Bose-Einstein Condensate (BAC), ma in questo caso a temperatura relativamente alta. Trasformando in eccitoni un fascio di luce di elevata lunghezza d’onda, si può trasferire l’energia in una fibra sottile senza perdite di diffrazione e quindi ritrasformarla nel fascio di luce originario.
Science, 25 Oct 96, Vol. 274, pg. 504 - Gary Taubes - I fisici dell’università di Innsbruck stanno realizzando un esperimento di teletrasporto di informazioni sfruttando una coppia di fotoni generati in modo da avere una stretta correlazione quantistica. Uno di questi fotoni viene codificato in un trasmettitore con una rotazione di polarizzazione 0 o 90° e si può aggiungere uno sfasamento dipendente dalla polarizzazione. Poiché queste operazioni non costituiscono una misura, lo stato quantico dei due fotoni rimane sempre indeterminato. Tuttavia queste operazioni creano diverse configurazioni; nel primo caso i due fotoni hanno polarizzazioni opposte, nel secondo caso hanno polarizzazioni uguali, nel terzo caso polarizzazioni e fasi opposte. I due fotoni vengono quindi confrontati in un ricevitore con una serie di beam splitter che selezionano i fotoni secondo la loro polarizzazione e fase.
Science, 6 Dec 96, Vol. 274, pg. 1615 - Gary Taubes - Nell’esperimento ideale del gatto di Schrödinger si trasferisce l’indeterminazione quantistica del decadimento di un atomo a un essere macroscopico, il gatto, che verrebbe ad assumere uno stato indeterminato per metà morto e per metà vivo. Rimanendo nello stesso esperimento ideale, per verificare lo stato del gatto è stato proposto di inviare all’interno della scatola un topo che avrebbe avuto una certa probabilità di uscirne vivo, se il gatto era vivo, ed una maggiore se il gatto era morto, queste probabilità si combinano secondo i principi dell’interferenza quantistica incompatibili con la logica classica. Tuttavia il fisico Serge Haroche dell’École Normale Superieure (ENS) di Parigi afferma che un tale esperimento, che coinvolge entità macroscopiche, non potrà mai funzionare per un processo di decoerenza che distruggerebbe la sovrapposizione quantistica, egli propone quindi di realizzare una versione più microscopica del gatto e del topo. Il gatto è realizzato con pochi fotoni a microonde che risuonano in una cavità centimetrica, il topo con un atomo di Rydberg il cui livello di eccitazione può reagire con lo stato del gatto rappresentato dalla fase del campo elettromagnetico. Chi genera lo stato quantistico del gatto è un atomo di Rydberg eccitato ad un livello molto elevato che attraversa una prima cavità a microonde che lo eccita nella sovrapposizione di due stati di energia; l’atomo passando poi nella cavità del gatto vi trasferisce la sua indeterminazione. L’atomo rappresentante il topo interagisce poi con la cavità del gatto e, emergendo, se ne misura lo stato relativamente al primo atomo. L’esperimento permette di eseguire due tipi di misure di decoerenza. Cambiando il ritardo fra i due atomi si può misurare quanto tempo passa per decadere in uno stato o nell’altro; se il ritardo fra i due atomi aumenta la coerenza si perde, lo stesso succede se si aumentano le dimensioni del gatto aumentando il numero di fotoni nella cavità. Questo esperimento permette così di esplorare la transizione dal mondo quantistico al mondo classico.
Science, 10 Jan 97, Vol. 275, pg. 158 - Charles Seife - L’idea che il vuoto fosse sede dell’energia prodotta da fotoni virtuali è stata esposta dai fisici Max Planck e Werner Heisenberg nel 1920, ma questa fluttuazione è stata ignorata fino al 1948 quando i ricercatori della Philips notarono che le forze di Van der Waals si riducevano inaspettatamente a grande distanza e la cosa fu spiegata come fluttuazione del campo elettrico. Si trovò il modo di rivelare questa energia come attrazione fra due superfici separate da un sottile distanza. Se la distanza era abbastanza piccola da escludere i fotoni di certe lunghezze d’onda, i fotoni esterni avrebbero esercitato una piccola pressione. Questa forza è stata misurata bilanciandola con un trasduttore piezoelettrico ed il risultato fu circa un miliardesimo di newton in accordo con la teoria entro il 5%.
Science, 31 Jan 97, Vol. 275, pg. 617 - Gary Taubes - Due anni fa i fisici hanno creato uno stato esotico della materia noto come Bose-Einstein Condensate (BAC), ora un gruppo del MIT è riuscito a produrre da questo nuovo materiale un fascio di atomi con le caratteristiche di coerenza di un fascio laser. Il BAC è costituito da una nuvola di atomi intrappolati in un campo magnetico e raffreddati quasi allo zero assoluto in modo che le loro onde quanto meccaniche si compenetrino. Il gruppo del MIT ha estratto da questo condensato impulsi di atomi che si propagano come una singola onda ed interferiscono fra di loro come oscillazioni coerenti.
Science, 25 Jul 97, Vol. 277, pg. 481 - Andrew Watson - Contro l’incredulità di Einstein i ricercatori aggiungono nuove dimostrazioni al comportamento quantistico di azione a distanza. Si è ora dimostrato che la correlazione quantistica persiste anche se le due entità si trovano separate a distanza di molti chilometri. Una coppia di fotoni creati simultaneamente rimane correlata anche quando i fotoni vengono separati e portati in posti molto lontani; anche così le misure su uno di essi influenzano il risultato delle misure eseguite sul gemello. L’esperienza è stata effettuata presso i laboratori della Swiss Telecom a Ginevra dove una coppia di fotoni correlati è stata separata e inviata mediante fibre ottiche in due villaggi vicini, distanti fra di loro di 10,9 km. Mentre l’energia totale della coppia è fissa, l’energia di ciascun fotone può variare entro un certo campo. L’analizzatore usato per la misura è un filtro di energia che seleziona il livello di energia a cui il fotone viene rivelato. Un analizzatore simile nella seconda stazione rivela sempre il livello correlato di energia pur essendo i due livelli non definiti al momento della creazione della coppia. Questo tipo di correlazione crea due copie perfette di valori random a distanza che possono essere usati come chiave di uno stesso codice; la trasmissione è esente da errori e non intercettabile perché ogni tentativo in tal senso distruggerebbe la correlazione e sarebbe rivelabile.
Science, 12 Dec 97, Vol. 278, pg. 1881 - Andrew Watson - Un team di ricercatori dell’università di Innsbruck in Austria ha mostrato come trasferire istantaneamente per teletrasporto quantistico, indipendentemente dalla distanza, l’informazione dello spin di un fotone. Il metodo usato nell’esperimento è quello di creare una coppia di fotoni intimamente correlati sparando un fotone di un laser su certi cristalli che generano una coppia gemella di fotoni tali da avere spin opposti. Per la teoria quantistica solo quando si misura lo stato di uno dei fotoni viene determinato lo stato del secondo che può trovarsi anche molto lontano dal primo. Nell’esperimento la coppia correlata è servita come veicolo per il teletrasporto dello stato di un terzo fotone “messaggio”. Questo viene combinato con il primo fotone della coppia in modo da costituire un’altra coppia correlata. In tal modo quando il fotone messaggio viene misurato il suo stato si ritrova uguale nel fotone lontano della prima coppia. Il principio del teletrasporto dovrebbe trovare applicazione in un calcolatore quantistico.
Science, 12 Mar 99, Vol. 283, pg. 1611 - David Voss - Caratteristica del laser è la capacità di creare fasci di luce perfettamente focalizzati per la coerenza della sorgente. I fisici cercano ora di realizzare un laser atomico con fasci di atomi coerenti più stretti per misure accurate di lunghezza e tempo ed anche per costruire strutture microscopiche atomo per atomo. Alla base del laser atomico è il Bose-Einstein Condensate (BEC), un insieme di atomi intrappolati a temperatura vicina allo zero assoluto che si portano allo stesso livello quantico. Dopo aver realizzato questo nuovo stato della materia nel 1995, i fisici compresero che il BEC era in grado di emettere un fascio di atomi coerenti come un laser, nel 1997 un gruppo del MIT produsse il primo laser atomico a burst. Successivamente furono compiuti progressi presso il Max Planck Intitute di Monaco, dall’università di Yale e dal National Institute of Standard and Technology (NIST) nel Maryland. Il NIST ha realizzato un vero fascio continuo con la tecnica del Raman scattering basato sull’interazione di fotoni con gli atomi del BEC. Vengono usati due fasci laser, il primo porta l’atomo ad un livello di energia più alto, il secondo lo riporta in basso, ma con un salto leggermente più piccolo fornendo l’energia necessaria a produrre il fascio in forma di breve impulso; la successione di questi impulsi si sovrappone producendo un fascio quasi continuo. Fra le applicazioni possibili è quella di un orologio atomico più preciso e la misura del metro campione, in prospettiva vi è la realizzazione dell’olografia atomica per costruire strutture atomiche 3D per nanostrutture, circuiti integrati o biotecnologie; l’European Space Agency (ESA) ha mostrato interesse per la misura delle onde gravitazionali con ottica atomica.
Science, 30 Mar 2001, Vol. 291, pg. 2556 - K. M. O’Hara and J. E. Thomas - Quando un gas contenente molte particelle identiche viene confinato e raffreddato a temperature dell’ordine di 200 nK, il suo momento medio può scendere a valori così bassi che la tipica lunghezza d’onda di de Broglie diventa più grande della separazione media fra le particelle. In questo caso si dice che il gas “degenera” cioè che le funzioni d’onda delle particelle si sovrappongono. I gas degenerati mostrano però un comportamento diverso se sono costituiti da fermioni o bosoni. Una particella viene classificata come fermione o bosone a seconda del valore del suo intrinseco momento angolare o spin. Tutte le particelle con spin semi-intero sono fermioni ed obbediscono al principio di esclusione di Pauli cioè non possono occupare uno stesso stato quantico. Così gli elettroni avendo spin ½ sono fermioni e dentro un atomo occupano livelli quantici diversi e ciò determina le diverse proprietà chimiche degli elementi, anche un neutrone o un protone hanno spin ½ e sono fermioni. Al contrario i bosoni hanno spin intero e possono occupare lo stesso stato quantico; esempi sono il fotone con spin 1 ed il gravitone con spin 2. Le particelle composte costituite da un numero pari di fermioni si comportano come bosoni e quelli con un numero dispari rimangono fermioni, così il Li-6, che è costituito da tre protoni e tre neutroni e tre elettroni, è un fermione composto, ma il Li-7 con un neutrone in più si comporta come un bosone composto. Li-6 e Li-7, pur avendo proprietà chimiche identiche si comportano in modo completamente differente a bassa temperatura come gas degenerati o Bose-Einstein condensate. In una trappola magnetica a bassa temperatura i fermioni Li-6 rimangono più separati non potendo occupare lo stesso stato quantico, creando una pressione di Fermi che li allontana, mentre i bosoni Li-7 si concentrano nel fondo della trappola potendo occupare il livello più basso. Un miscuglio di Li-7 ed Li-6 può essere usato per raffreddare ulteriormente i secondi perché collidendo fra di loro quando gli Li-6 acquistano energia si allontanano più facilmente e possono essere espulsi selettivamente dalla trappola raffreddando ulteriormente le particelle rimaste. Sistemi di materia degenerata sono comuni nelle stelle di neutroni, nella materia nucleare e nel gas di elettroni all’interno di metalli normali o superconduttori e gli esperimenti sui sistemi degenerati possono chiarire i meccanismi fisici alla base dei superconduttori ad alta temperatura non ancora ben compresi.
Science, 25 May 2001, Vol. 292, pg. 1471 - Charles Seife - Le particelle microscopiche come gli atomi obbediscono alle leggi della fisica quantistica come il principio di indeterminazione di Heisenberg, non così gli oggetti macroscopici, ma non è chiaro dove si verifica la separazione fra i due comportamenti. Un recente esperimento condotto dal fisico Zeilinger dell’Università di Vienna ha mostrato come il principio di indeterminazione è ancora valido per una molecola di enormi dimensioni come la C70, un cluster di 70 atomi di carbonio, un vero mostro per la scala atomica. Un fascio di molecole C70 è stato fatto passare attraverso una fenditura di dimensioni regolabili da 20 micrometri a 70 nanometri ed un rivelatore laser ne ha misurato il momento. Quando le dimensioni della fenditura divenivano inferiori a 4 micrometri, aumentando la precisione di posizione, l’indeterminazione del momento tendeva a crescere secondo le leggi quantistiche. Anche se non si tratta di un oggetto macroscopico, l’esperimento con il C70 ha spostato notevolmente in termini di dimensioni il limite di validità delle leggi quantistiche e Zeilinger è convinto che non esiste una vera transizione fra i due mondi ed è solo una questione di accuratezza delle misure.
Science, 11 Oct 2002, Vol. 298, pg. 342 - Charles Seife - La validità della meccanica quantistica si estende al di là degli atomi e dei fotoni, ma non si conoscono ancora i limiti anche senza sconfinare nel gatto di Schrödinger. Il principio di sovrapposizione, cioè la capacità di essere due cose opposte nello stesso tempo, è valido per oggetti microscopici come i fotoni, ma non per gli oggetti del mondo reale. Anton Zeilinger dell’università di Vienna, Austria, ha però dimostrato che una sfera di 70 atomi di carbonio, di dimensioni enormi rispetto agli standard quantistici, si comporta ancora secondo le regole quantistiche. Ora Roger Penrose dell’università di Oxford, UK, e Dik Bouwmeester dell’università di California, Santa Barbara, con i loro colleghi, hanno progettato un oggetto di dimensioni miliardi di volte più grande che dovrebbe comportarsi come un gatto di Schrödinger. Non è sicuro che sia realizzabile, ma lo dovrebbe. Il sistema è basato sul principio dell’interferometro. Un raggio di luce, costituito anche da un singolo fotone, quando cade su un beam splitter si divide nelle due direzioni creando una caratteristico caso di sovrapposizione. Nel dispositivo le due strade si portano in due cavità a specchio all’interno delle quali i fotoni rimangono fino a riuscire da dove sono entrati. Una delle due cavità porta uno specchietto largo 10 micrometri, quanto una cellula, posto all’estremità di una leva che si muove quando è colpita dal fotone. Tornando indietro dalle cavità i fotoni finiscono nei due rivelatori dell’interferometro che indicheranno se lo specchietto si è mosso, è rimasto fermo oppure è rimasto nella sovrapposizione dei due stati. L’operazione va ripetuta inviando un fotone per volta e si può misurare quanto a lungo dura la sovrapposizione. L’esperimento deve essere eseguito in alto vuoto e bassa temperatura.
Science, 10 Jan 2003, Vol. 299, pg. 185 - Charles Seife - Si sa che meccanica quantistica e relatività sono incompatibili, ma un recente articolo nel numero di dicembre del Physical Review Letters ha creato in modo inatteso un collegamento fra le due teorie. Due fisici hanno mostrato che la proprietà di “entanglement” delle particelle quantistiche viene influenzata dalle leggi della relatività contro l’opinione corrente che considerava questa proprietà come assoluta. Le leggi quanto meccaniche affermano che se due particelle sono legate (entangled) lo saranno sempre non importa quanto distanti fra di loro si possano portare: ciascuna sentirà immediatamente ciò che succede all’altra. Dopo decenni di esperimenti che hanno mostrato come questa strana azione a distanza sia reale, ora si è visto ciò che succede quando due particelle entangled si muovono a velocità relativistiche. Due fisici del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, partendo da due particelle con lo spin entangled in condizioni stazionarie e poi portandone una a velocità prossime a quelle della luce, hanno calcolato che si dovrebbe misurare sperimentalmente la sparizione della proprietà di entanglement, viceversa, due particelle il cui spin non è entangled in condizioni stazionarie lo dovrebbero diventare a velocità relativistiche. In realtà non si avrebbe semplicemente l’apparizione e la sparizione della proprietà di entanglement, ma questa passerebbe dallo spin al momento delle particelle e viceversa. L’entanglement non si può quindi creare o distruggere, ma semplicemente si trasforma. Questa scoperta può avere implicazioni negli orologi ultraprecisi che coinvolgono particelle quantistiche in un futuro Global Positioning System con satelliti e stazioni di terra; uno spostamento dell’entanglement sui satelliti può mettere fuori sincronismo gli orologi. Ci vorranno anni prima che i fisici provino queste conclusioni con un esperimento, ma si è aperta un’interessante area di studio.
Science, 21 Mar 2003, Vol. 299, pg. 1850 - John Clarke - Già 23 anni fa è stato suggerito che un oggetto macroscopico come un loop superconduttore contenente una giunzione tunnel di Josephson può esistere nella sovrapposizione di due stati quantistici macroscopicamente distinti rappresentati da due correnti che ruotano in senso orario e antiorario. Questo dispositivo costituisce un “flux qubit” utilizzabile in un computer quantistico. Si sa che il problema dei qubit applicati a sistemi macroscopici è l’interazione con l’ambiente esterno che distrugge la coerenza dei due stati e fa perdere la condizione di sovrapposizione. Il dispositivo qubit deve avere una minima dissipazione con l’ambiente esterno ed il sistema di misura e permettere un numero sufficiente di oscillazioni fra i due stati prima di perdere la coerenza. Un flux qubit è costituito da tre giunzioni Josephson inseriti in un loop a superconduzione non più grande di 2 micrometri dove la corrente può fluire nelle due direzioni oraria ed antioraria. L’eccitazione del qubit è ottenuta applicando un impulso risonante a microonde su un ingresso che induce un campo magnetico oscillante nel loop del qubit. La misura dello stato è ottenuta mediante un circuito SQUID (Superconducting Quantum Ineteference Device) con due giunzioni Josephson in un loop superconduttore parte del quale è comune al loop del qubit. L’accoppiamento fra i due loop è molto lasco. Per la misura allo SQUID viene applicato un impulso di corrente di 50 ns seguito da una base di 500 ns e durante l’impulso lo SQUID si porta al livello alto o basso in funzione della probabilità dei due stati. Ripetendo 5000 volte questa misura si ottiene la probabilità. Il circuito è stato valutato variando l’impulso a microonde di eccitazione e l’impulso di corrente di lettura. Si è ottenuto un tempo di decoerenza di 20 ns ed un tempo di rilassamento di 900 ns, risultati che sembrano promettenti per un’applicazione in un computer quantistico. La tecnologia di fabbricazione è la litografia con fascio di elettroni ed evaporazione di Al.
Science, 14 Nov 2003, Vol. 302, pg. 1129 - Charles Seife - Due gruppi di fisici, uno in Austria ed uno negli USA hanno creato un Bose-Einstein Condensate (BEC) usando dei fermioni invece che dei normali bosoni e questo apre una nuova area di ricerca e potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere il mistero dei superconduttori ad alta temperatura. La novità sta sulla differenza nelle proprietà quanto-meccaniche fra bosoni e fermioni relativamente al loro spin che per il bosoni è intero mentre nei fermioni è multiplo dispari di ½. Questo comporta che due fermioni non possono trovarsi mai nello stesso stato quantico mentre i bosoni lo possono, così, quando i fisici nel 1995 raffreddarono a pochi miliardesimi di gradi sopra lo zero assoluto degli atomi di rubidio e di sodio che sono bosoni, questi si portarono tutti allo stesso stato quantico a formare un atomo gigante, il BEC, mentre con i fermioni, come il potassio-40 o il litio-6, gli atomi rimanevano distinti su stati quantici diversi anche a temperature molto basse. I fisici però conoscevano un modo per superate l’ostacolo facendo collegare i fermioni in coppie che così si comportavano come bosoni. Il primo gruppo di ricercatori all’università di Insbruck in Austria hanno usato atomi di litio-6 in una trappola ottica, raffreddandoli ed applicando un campo magnetico costante per favorire la formazione di legami; nel corso del raffreddamento si formarono le coppie. Il secondo gruppo di ricercatori, presso il Laboratorio di astrofisica di Boulder in Colorado, hanno prima raffreddato degli atomi di potassio-40 e quindi hanno applicato un campo magnetico variandolo fino a creare le coppie che si sono condensate in un BEC. Il BEC molecolare offre un nuovo modo di studiare la superconduttività dove si formano delle coppie di elettroni che si comportano da bosoni, le coppie di Cooper descritte dalla teoria Bardeen-Schrieffer (BCS). Si tratta di studiare ora le condizioni per cui sono stabili le coppie di elettroni responsabili della superconduzione ad alta temperatura.
Science, 20 May 2005, Vol. 308, pg. 1103 - Charles Seife - Una strana predizione della elettrodinamica quantistica è che in un intenso campo magnetico lo spazio si comporta come un cristallo. Una proposta di fisici italiani e francesi pubblicata nel numero del 29 aprile del Physical Review Letters vuole sfruttare un particolare sistema stellare per l’esperimento. Una pulsar binaria scoperta nel 2003, formata da due stelle di neutroni che orbitano fra di loro e nota come J0737-3039, emette un potente fascio di radiazioni che arriva sulla Terra a intervalli definiti. La teoria quantistica suppone che nel vuoto si generino e spariscano continuamente particelle virtuali e, se queste si trovano immerse in un forte campo magnetico, la luce passando attraverso rallenta e si deflette come in un cristallo. L’indice di rifrazione cambia con il campo magnetico e frequenze diverse hanno diverse velocità. I fisici sperano che la pulsar binaria permetta di misurare questo piccolo effetto. In un certo momento dell’orbita il fascio di radiazione passa nel campo magnetico fra le due stelle e se si osservano le radiazioni X abbastanza a lungo si dovrebbe osservare una deviazione della luce maggiore di quella dovuta alla distorsione gravitazionale dello spaziotempo. Non sarà facile; si dovrà osservare a lungo per avere una buona statistica. Dal NASA’s Goddard Space Flight Center, Maryland, si avanzano dubbi perché il fenomeno è debole paragonato all’effetto di lente gravitazionale e, se l’asse di spin delle due stelle punta anche di poco su una direzione sbagliata, l’effetto verrebbe cancellato. Comunque il sistema J0737-3039 può rappresentare un laboratorio per la nuova fisica.
Science, 8 Jul 2005, Vol. 309, pg. 238 - Charles Seife - Per molto tempo gli scienziati hanno pensato che le stesse leggi della fisica che rendono così potente il computer quantistico ne rendono impossibile la sua realizzazione pratica. Nel 1995 però si scoprì il modo di preservare la fragile informazione quantistica nonostante le sue leggi ed il computer quantistico fece un salto verso la realtà. Il cuore della scoperta sta nel modo di correggere gli errori nell’informazione quantistica senza distruggere l’informazione stessa. I codici di correzione dell’errore quantistico sono ora alla base della ricerca del computer quantistico. All’università di Waterloo dell’Ontario, in Canada è stata rivista matematicamente la teoria della correzione dell’errore quantistico per renderla più efficiente. L’informazione accumulata nei qubit quantistici è estremamente deperibile perché nel tempo i dati diventano inutilizzabili. Nei computer classici la soluzione è di fare un backup e così creare una copia. Questo è il modo più rudimentale di correzione di errori, ma ci sono anche sistemi più sofisticati per impedire la corruzione dei dati immagazzinati o durante il loro trasferimento da un luogo ad un altro. Nel pacchetto che il computer trasferisce vengono aggiunte informazioni per la correzione di errori ed i file del disco rigido hanno dati aggiuntivi per proteggerlo da errori casuali sui bit. In meccanica quantistica però la copia è impossibile per il principio del no-cloning e quindi non si possono duplicare fedelmente le informazioni. La misura di un oggetto quantistico nel suo delicato stato di sovrapposizione distrugge l’originale quando lo si trasferisce altrove. Per questo motivo molti teorici credevano che fosse impossibile correggere gli errori nell’informazione quantistica. A metà degli anni ’90 però alcuni fisici capirono che c’è un modo di correggere gli errori quantistici senza violare le leggi della teoria quantistica. Il modo con cui si codifica l’informazione in un sistema fisico con un qubit in un atomo o in un fotone non è affidabile, bisogna invece diffondere un qubit in diversi oggetti quantistici nello stesso momento in modo che lo stato quantistico sia ripartito su una collezione di oggetti. L’informazione inscritta in una collezione di oggetti può essere resa resistente agli errori senza andare contro la regole del no-cloning perché non c’è bisogno di copiarla o leggerla. Un passo avanti si è avuto con il principio di immagazzinare l’informazione non nella relazione fra più oggetti quantistici, ma nella relazione fra relazioni. Con il formalismo degli operatori la nuova struttura matematica dimostra che i diversi metodi di controllare gli errori sono in realtà gli stessi e l’informazione inscritta nel sistema risulta immune da errore; un sistema passivo diventa così un sistema attivo. Ancora non si è sicuri della potenza di questa tecnica, ma questo approccio astratto fa capire che la correzione dell’errore quantistico è molto più ricca di quanto si credeva.
Science, 16 Sep 2005, Vol. 309, pg. 1801 - Adrian Cho - Una sorprendente scoperta si è fatta sul comportamento delle particelle entangled in senso quantomeccanico. Una accelerazione può disconnettere questo misterioso legame fra particelle separate in distanza e questo presuppone una connessione fra la meccanica quantistica e la gravità. Il fatto sorprende perché questo significa che l’essere due particelle entangled dipende dal moto dell’osservatore. Un osservatore che non è in accelerazione può trovare che due particelle sono entangled mentre un osservatore che è in accelerazione trova che le stesse particelle non lo sono. I fisici avevano studiato come si comportava l’entanglement quando i due osservatori (Bob ed Alice) si muovevano con velocità relativa costante e vicina a quella della luce ed hanno scoperto che l’entanglement persisteva, ma un’accelerazione ha un effetto più drammatico. Supposto che Alice e Bob ricevano due particelle entangled da una sorgente che si trova a metà strada, Alice sa che se riceve una particella anche Bob ne ha un’altra e lo stesso vale per Bob. Se ora Alice accelera allontanandosi da Bob, questi trova che le sue misure sono entangled con quelle di Alice mentre Alice trova che le sue non lo sono completamente con quelle di Bob. L’asimmetria deriva dal fatto che Alice vede particelle che Bob non vede; infatti l’accelerazione crea per Alice un orizzonte che la separa dall’universo di Bob; particelle ed antiparticelle che appaiono ed annichiliscono vicino a questo orizzonte non sono comuni ai due universi e possono oscurare l’entanglement. Un altro esempio è il caso di Bob che cade in un buco nero, egli non sente accelerazione ed osserva un perfetto entanglement con la particella di Alice, ma se questa accelera per sfuggire al buco nero e si tiene fuori dall’orizzonte degli eventi non osserva nessun entanglement per la sua. C’è quindi una relazione fra la gravità della teoria generale della relatività di Einstein e l’entanglement, ma il legame fra i due rimane da chiarire.
Science, 24 Feb 2006, Vol. 311, pg. 1106 - Jonathan Oppenheim - I computer quantistici promettono di risolvere problemi che con i computer convenzionali si ritengono impossibili o richiederebbero troppo tempo. Il problema è di trovare opportuni algoritmi adatti al calcolatore quantistico. Anche se la cosa è dubbia, si dice che il computer quantistico possa risolvere tutti i problemi di classe NP, problemi di cui, con un computer classico, si può solo verificare efficacemente la soluzione, ma non risolverlo. Michael A. Nielsen della School of Physical Science dell’Università di Queensland, in Australia, cerca una soluzione ispirandosi alla geometria. Essenzialmente il progettista del computer quantistico cerca di trovare il percorso più breve fra i dati di ingresso di un problema e la soluzione evitando di far crescere i calcoli oltre misura durante il percorso. Trovare l’algoritmo quantistico ottimale è essenzialmente equivalente a trovare il percorso più breve in una certa geometria curva, cioè trovare una geodetica, che rappresenta il percorso seguito da un oggetto che cade. Con questa analogia i ricercatori suggeriscono la possibilità di usare i metodi della geometria di Riemann che studia le superfici e gli spazi curvi. Questo metodo potrebbe indicare l’esistenza di efficienti algoritmi quantistici o rivelare le limitazioni di potenza dei computer quantistici.
Science, 16 Feb 2007, Vol. 315, pg. 966 - Vincent Jacques - L’esperimento di Young della doppia fenditura realizzato con particelle che vengono inviate una alla volta attraverso un interferometro è a fondamento della meccanica quantistica. Lo strano comportamento è che il fenomeno dell’interferenza, interpretato come un’onda che segue due percorsi simultaneamente, è incompatibile con il senso comune per cui le particelle seguono una via o l’altra e non ambedue. Molti esperimenti con fotoni singoli hanno confermato la dualità onda-particella. Per comprendere meglio il fenomeno consideriamo l’interferometro Mach-Zehnder in una configurazione chiusa ed un singolo fotone che si divide nel primo beam splitter di ingresso e viaggia fino al secondo beam splitter di uscita ricombinandosi sui due rami dell’interferometro. Quando si varia la differenza di fase (phi) fra i due rami, l’interferenza compare come una modulazione della funzione di probabilità alle due porte di uscita 1 e 2, rispettivamente come (cos(phi))^2 e (sen(phi))^2. Questo risultato è quello che ci si aspetta da un’onda e, come ha detto Wheeler, è la prova che ogni quanto di luce ha percorso ambedue le strade. Se si rimuove il beam splitter di uscita, realizzando la configurazione aperta, le due uscita, D1 e D2 sono associati ad un solo percorso. Questo comportamento conferma quanto affermato da Bohr che il risultato di una misura è determinato dal tipo di misura, in configurazioni mutuamente esclusive. In un esperimento in cui la scelta della configurazione di misura viene compita molto in anticipo la complementarietà di Bohr si concilia con il concetto di località di Einstein di una realtà fisica, perché il fotone che entra nell’interferometro può avere ricevuto un’informazione nascosta sulla configurazione dell’esperimento. Per sfuggire a questa strana interpretazione, Wheeler ha proposto l’esperimento mentale di una scelta ritardata in cui la scelta della configurazione viene fatta dopo che il fotone ha superato il beam splitter di ingresso e quindi abbia scelto la sua strada. Dopo questa proposta molte configurazioni sono state realizzate in cui l’introduzione o l’esclusione del beam splitter di uscita viene compiuta in modo casuale con un quantum random number generator (QRNG) posto vicino al beam splitter di uscita ed abbastanza lontano dall’ingresso in modo che non ci sia tempo perché un’informazione possa raggiungere il fotone prima di attraversare il beam splitter di ingresso. Nel dispositivo finale un generatore impulsato e sincronizzato di fotoni singoli invia un fotone alla volta ad un beam splitter polarizzato, alle uscite del quale i fotoni sono contrassegnati da due polarizzazioni ortogonali distinte, verticale ed orizzontale e, dopo un percorso abbastanza lungo (48 m pari ad un ritardo di 160 ns), vengono ricombinati passando per una piastra di ritardo di mezza lunghezza d’onda che inverte le polarizzazioni ed un beam splitter complementare a quello di ingresso seguito da un modulatore elettro-ottico (EOM) il cui asse ottico è orientato a 22,5° rispetto alla polarizzazione di ingresso ed infine da un prisma di Wollaston che separa di nuovo i due rami. Le due vie dell’interferometro, che sono separate spazialmente ed identificate dalla loro polarizzazione, vengono ricombinate dal beam splitter di uscita ma sono ancora identificabili dalla loro polarizzazione. Quindi la scelta fra le due configurazioni dell’interferometro, chiusa o aperta, viene compiuta da EOM commutato entro 40 ns fra zero e mezza lunghezza d’onda. Nel primo caso la situazione corrisponde alla rimozione del beam splitter di uscita ed i due percorsi rimangono separati (configurazione aperta). Le polarizzazioni ortogonali dei due rami sono così separate dal prisma ed i due rivelatori D1 e D2 determinano il percorso. Applicando la tensione massima al modulatore EOM, questo si comporta come una piastra di mezza lunghezza d’onda che sposta la polarizzazione di ingresso di 45° ed il prisma ricombina le due polarizzazioni ruotate facendo riapparire l’interferenza alle due porte di uscita. Si ottiene così la configurazione chiusa. Il sincronismo di EOM è sufficientemente ritardato rispetto alla partenza del fotone di ingresso in modo che nessuna informazione lo possa raggiungere prima che arrivi all’interferometro. Per ogni Nt fotoni inviati all’ingresso si rivelano N1 ed N2 uscite ai rivelatori Di D2 ed Nc coincidenze fra N1 e N2. Nel caso che la luce si comporti come un’onda classica sarà soddisfatta la diseguaglianza:
(alfa) = (Nc x Nt)/(N1 x N2) >= 1
e la violazione di questa diseguaglianza fornisce un criterio quantitativo di un comportamento non classico. Per un singolo fotone si prevede la perfetta anticorrelazione cioè (alfa) = 0 e quindi rapporto nullo. Il valore misurato è stato di 0,12 +/- 0,01, diverso da zero per i residui di fotoluminescenza e difetti di correlazione del generatore di fotoni. Nella configurazione aperta con impulsi singoli ci si aspetta che le uscite D1 e D2 siano associate senza ambiguità con i due diversi percorsi e si è valutata l’espressione:
I = (N1-N2)/ (N1 + N2)
bloccando il percorso N2 con un risultato di 0,99 limitata dai conteggi perduti e dalle imperfezioni dei componenti ottici. Nell’esperimento ritardato con il modulatore EOM pilotato in modo random ed una variazione di fase fra i rami, ottenuta mediante un tilting del beam splitter di uscita azionato da un attuatore piezoelettrico, si sono eseguite acquisizioni di 1.9 secondi corrispondenti a 2600 fotoni ciascuna. Tutti i dati raccolti sono stati elaborati alla fine e separati per le due configurazioni. Per la configurazione chiusa, l’interferenza è stata osservata con una visibilità di 0,94, mentre nella configurazione aperta si è osservata una uguale probabilità di rivelazione sulle due uscite con un valore di 0,50 +/- 0,01.
Science, 8 Feb 2008, Vol. 319, pg. 733 - K. J. Resch - Onur Hosten e Paul Kwiat del dipartimento di fisica dell’università dell’Illinois hanno usato una controversa procedura di “weak measurement” per amplificare lo Spin Hall Effect in Light (SHEL) invece di rivelarlo direttamente. Lo spin Hall effect è la corrente con spin polarizzato indotta trasversalmente applicando un campo elettrico. Lo SHEL è l’analogo ottico quando si sostituisce al flusso di elettroni con spin ed al campo elettrico rispettivamente un raggio di luce polarizzata ed un gradiente di indice di rifrazione. La luce che si propaga secondo un piano x-z e trova nel piano x-y una variazione dell’indice di rifrazione, subisce una deviazione secondo y dipendente dalla polarizzazione. Nel passaggio dall’aria al vetro lo spostamento è di poche decine di nm e non si riesce a misurare. I due fisici hanno adottato una procedura di misura quantistica non ortodossa per vedere l’effetto. La “weak measurement” è una procedura in tre passi inventata da Y. Aharonov nel 1988. Il sistema di misura è preparato per uno stato iniziale ben definito e poi è accoppiato molto debolmente con il sistema quantistico ad una sensibilità dello strumento più piccola dell’incertezza quantistica. Lo spostamento dell’indice, sempre proporzionale al valore debole, è memorizzato quando risulta grande rispetto all’incertezza quantistica. Questo tipo di misura è stato sempre controverso fin dall’inizio perché può essere arbitrariamente grande, ma è stato dimostrato sperimentalmente che ha una perfetta analogia nell’ottica classica.
Science, 20 Jun 2008, Vol. 320, pg. 1601 - Steven Prawer and Andrew D. Greentree - Nella ricerca di tecnologie che sfruttano proprietà quanto-meccaniche di coerenza ed entanglement, sembra che il diamante sia un materiale ideale. Cristalli singoli di diamanti hanno proprietà elettriche, ottiche e meccaniche che già hanno trovato applicazioni in dissipatori di calore, finestre ottiche, elettrodi per elettrochimica, rivelatori di particelle di alta energia, dosimetri e biosensori. In campo quantistico il diamante ha dimostrato unicità per le sue proprietà ottiche che si adattano alla fabbricazione di parti essenziali per le tecnologie quantistiche. Il centro ottico nel diamante offre accesso ad un sistema quantistico controllabile a temperatura ambiente. Un’impurità o un difetto in un cristallo è responsabile del colore di smeraldi e rubini. All’interno di un diamante si può usare un elemento attivo prodotto da un atomo di azoto vicino all’assenza di un atomo di carbonio la cui presenza può essere rivelata singolarmente e viene chiamata nitrogen vacancy (NV). Questo può costituire il quantum bit o qubit di un processore quantistico che opera a temperatura ambiente. Il tempo richiesto per manipolare lo stato del qubit è di una decina di nanosecondi ed il tempo misurato di decoerenza a temperatura ambiente di 0,35 millisecondi. Si possono eseguire così circa 10000 operazioni prima di perdere coerenza. Si è dimostrata la possibilità di realizzare accoppiamenti mltiqubit per costruire una piccola memoria quantistica. In un diamante i centri NV costituiscono singoli atomi che emettono singoli fotoni ed hanno permesso la realizzazione di una sorgente di fotoni accoppiata ad una fibra ottica. In ogni diamante vi sono più centri ottici di questo genere e si cerca di individuare il migliore. Un altro problema è di accoppiare due strutture fotoniche di questo genere e quindi realizzare un sistema mutiqubit. Le opinioni sull’applicabilità di un calcolatore quantistico ha fluttuato fra ottimismo e pessimismo e per il momento sembra improbabile di vedere un calcolatore quantistico su larga scala nei prossimi dieci anni. Il diamante apre una possibilità di applicazione per elaborare l’informazione quantistica in pochi qubit. Con un facile accesso ad un entanglement di più particelle si potranno trovare nuove applicazioni collegando i singoli centri dei diamanti con una rete nanometrica.
Science, 21 Nov 2008, Vol. 322, pg. 1198 - Andreas S. Kronfeld - L’eccitazione provocata dall’accensione del Large Hadron Collider (LHC) a Ginevra, in Svizzera, è stata associata per il gran pubblico all’origine della massa nell’universo, fatto vero ma incompleto. La maggior parte della massa, o peso, nel mondo in cui viviamo deriva dai nuclei atomici che sono composti da neuroni e protoni, detti collettivamente nucleoni. A loro volta i nucleoni sono composti da particelle dette quark e gluoni ed i fisici hanno creduto a lungo che la massa dei nucleoni derivi dal modo complicato con cui i gluoni legano i quark fra di loro secondo le leggi della quanto cromodinamica (QCD). Dall’introduzione della QCD il problema dei fisici è stato di calcolare la massa dei nucleoni su questa base. Questo metodo di calcolo incorpora tutta la fisica, l’approssimazione numerica e presenta un accurato budget degli errori. Poiché questi calcoli accurati si accordano con le misure di laboratorio, si ha la convinzione che l’origine della massa sia nella QCD. Il meccanismo usato è quello di un reticolo di misura dei campi quantistici che sostituisce lo spaziotempo con un reticolo quadridimensionale. Si crea un reticolo cristallino a simmetria cubica che si evolve a step discreti di tempo. Il risultato della QCD è che l’accoppiamento fra quark e gluoni si indebolisce a corta distanza asintoticamente ed al contrario si rafforza con la distanza provocando il confinamento di quark e gluoni nel volume delle particelle dette hadroni. Il calcolo si traduce in un integrale che si calcola numericamente con un computer. Il calcolo ha dovuto affrontare però due ostacoli. Il primo era come descrivere il vuoto che, mentre nella fisica classica è il nulla per definizione, nella teoria quantistica contiene particelle virtuali, un caos di gluoni e coppie quark-antiquark, che compaiono e scompaiono continuamente. Il secondo ostacolo è l’enorme quantità di calcoli provocate da questo caos di particelle. I problemi di calcolo sono stati superati 5 anni fa. Sono state calcolate le masse di 8 barioni e quattro mesoni (costituiti da un quark ed antiquark) ed i valori misurati sono stati in accordo con quelli calcolati con un’incertezza del 4%. La massa del nucleone è risultata 936 +/-25+/-22 MeV/c^2, dove c è la velocità della luce, e va confrontata con la massa misurata del neutrone di 939 MeV/c^2. S. Dürr ha dimostrato che le equazioni della QCD fanno calcolare la massa dei nucleoni e di diversi altri hadroni e la procedura di calcolo insegna che, anche se svanisce la massa dei quark, la massa dei nucleoni non varia di molto, un fenomeno che alcuni hanno chiamato “massa senza massa”. Questo ha fatto sorgere il problema dell’origine della piccola massa degli up e down quark e di quella anche più piccola dell’elettrone. Il modo come la natura genera queste masse è diventato lo scopo di LHC che cercherà come responsabile il bosone di Higgs o qualche cosa di più spettacolare.
Science, 23 Jan 2009, Vol. 323, pg. 469 - M. S. Kim and Jaeyoon Cho - Uno dei tanti paradossi introdotti dalla meccanica quantistica è la correlazione (entanglement). Quando due o più oggetti sono entangled, il conoscere gli stati quantici dei singoli oggetti separatamente, non ci permette di conoscere lo stato dell’intero sistema a causa dello loro stretta correlazione. Il processaggio dell’informazione quantistica sfrutta questi stati entangled in applicazioni come il calcolo e la crittografia ed uno degli strumenti più utili è il teletrasporto che trasferisce lo stato quantistico fra due sistemi posti in locazioni diverse. S. Olmschenk dell’Università del Maryland ha dimostrato il teletrasporto di uno stato quantico fra due ioni di Ytterbio (Yb) separati da una distanza di un metro. Benché lo stato quantistico dei fotoni sia stato teletrasportato a distanze molto maggiori, quello di particelle di massa maggiore ha implicazioni pratiche per il trasferimento e la memorizzazione di stati quantici su luoghi fissi distanti. Il teletrasporto quantistico richiede due canali di comunicazione, uno per l’informazione classica e l’altro per gli stati entangled fra un trasmettente (Alice) ed un ricevente (Bob). Alice esegue una misura fra la sua particella di una coppia entangled e la particella di un quantum bit (qubit), che può assumere i valori di 0 o 1 o anche della sovrapposizione dei due stati, da trasmettere a Bob. Dopo la misura di Alice, la particella entangled di Bob può assumere lo stato del qubit di Alice, se necessario con una semplice trasformazione unitaria, in base al risultato della misura che Alice invia a Bob mediante il canale classico. Nel 1997, D. Bouwmeester ha dimostrato il teletrasporto quantistico fra coppie di fotoni entangled nei loro stati di polarizzazione generati da un fotone ad alta energia. Per le operazioni fra gate logici e per le memorie quantistiche sono utilizzabili lo spin, gli atomi e gli ioni, mentre i fotoni sono utili per comunicazioni a lunga distanza e l’entanglement atomi-fotoni è essenziale per la trasmissione degli stati quantici a lunga distanza. Si è notato come l’accoppiamento atomi-fotoni diventa forte quando una nube di atomi viene tenuta in una trappola ed il teletrasporto quantistico si può fare fra nubi atomiche, impiegate come memorie, usando i fotoni come mezzo. Nell’esperimento, gli ioni di Ytterbio (Yb+) sono stati immagazzinati in trappole separate a distanza di un metro. Lo stato quantico a(0)+b(1) da teletrasportare viene scritto su un atomo A con un impulso a microonde, mentre un altro impulso prepara un atomo B alla sovrapposizione dei due stati |0>+|1>. Un altro impulso laser eccita ciascun atomo che, tornando allo stato primitivo emette un fotone entangled allo stato dell’atomo. I due fotoni vengono mescolati in un beam splitter e l’entanglement atomo-fotone diventa entanglement fra i due atomi. Successivamente si misura l’atomo A che darà un’uscita 0 o 1 da inviare all’atomo B. Questo avrà assunto lo stato a(0)+b(1) di A o lo potrà fare mediante una trasformazione unitaria dall’informazione ricevuta con il canale classico. L’uso dei fotoni per il teletrasporto apre la possibilità del teletrasporto a lunga distanza ed è un passo importante per realizzare ripetitori quantistici con memorie, un componente chiave per la comunicazione quantistica a lunga distanza. I paradossi quantistici stanno rivoluzionando la tecnologia dell’informazione.
Science, 4 Dec 2009, Vol. 326, pg. 1337 - Nicolas Gisin - Contrariamente alla nostra comune esperienza, vi sono sistemi quantistici, spazialmente separati, che dimostrano correlazioni non locali. Indagando su come la natura procura questa strana non località quantistica, si sono condotti nuovi esperimenti per approfondire la nostra comprensione delle incompatibilità fra fisica quantistica e relatività e scoprire nuove inaspettate tecniche. Consideriamo due sistemi quantistici separati, uno controllato da Alice e l’altro da Bob. Essi possono eseguire le stesse misure nei loro rispettivi sistemi e raccogliere i risultati. Dopo aver ricavato una valida distribuzione di probabilità associata ai loro esperimenti, paragonando i risultati, potranno scoprire le correlazioni fra di essi distinguendo le proprietà locali da quelle non locali. Le correlazioni possono dipendere da altri fattori. Ad esempio, se Alice e Bob hanno ciascuno delle coppe dello stesso colore, ambedue rosse o ambedue verdi, guardando il loro colore, i risultati sono correlati ed il risultato è ovvio. Sanno che ambedue hanno lo stesso colore ma non quale. La situazione nelle misure quantistiche è diversa. Lo stato quantistico misurato fornisce la descrizione completa del sistema e questo fatto portò Einstein, Podolsky e Rosen a dedurre che la teoria quantistica era incompleta perché avrebbe dato anche l’informazione di colore. La correlazione informa anche sulla non località, Nel 1964, John Bell introdusse una formulazione logica, la famosa diseguaglianza di Bell, che fornisce una prova se la correlazione è locale o non locale. Se la diseguaglianza è soddisfatta, la correlazione e locale. La violazione della diseguaglianza di Bell ci dirà che due sistemi, spazialmente separati, hanno correlazioni non locali e questo sarà vero per ogni futura teoria che sia una teoria quantistica completa. Conseguentemente è la natura ad essere non locale. Rimane un senso di insoddisfazione sulla non località. In parte ciò deriva dalla confusione che si fa tra correlazione e trasmissione di segnali non locali, cioè la possibilità di trasmettere segnali a velocità arbitraria, in contraddizione con la relatività. A questo riguardo è importante stabilire che la correlazione non locale non trasmette segnali e non comunica informazioni e questo rimuove delle perplessità. In un ambiente che non trasmette informazioni, la correlazione può essere non locale solo se i risultati delle misure non sono predeterminati. Infatti se fossero predeterminati, o accessibili con altre tecnologie, si possono trasformare le correlazioni in segnali. Questa proprietà di indeterminazione ha consentito di produrre sequenze di bit realmente casuali e questo pone la non località come una risorsa per future tecnologie quantistiche. I primi esperimenti di Clauser e Aspect, per provare la diseguaglianza di Bell, furono sottoposte a critiche che da allora sono state superate, tuttavia le correlazioni non locali richiedono una spiegazione. Di fronte ad una correlazione non locale, si ha l’impressione che i due sistemi si influenzano fra di loro (ricordare la definizione di Einstein di “spooky action at distance”) e questa è la spiegazione ufficiale del processo: “la prima misura provoca il collasso dell’intera funzione di stato modificando lo stato all’istante”. Questa intuizione, presa seriamente, ha portato a nuovi esperimenti. Se c’è un’influenza fra Alice e Bob, questa deve propagarsi a velocità maggiore della luce, come hanno dimostrato attuali esperimenti con la violazione della diseguaglianza di Bell fra luoghi lontani. Una velocità maggiore di quella della luce si può solo definire rispetto a un ipotetico sistema di riferimento privilegiato. Se la correlazione è dovuta a un’influenza nascosta, questa si propaga a velocità finita e, con sistemi ben sincronizzati, l’influenza non può arrivare in tempo e non si dovrebbe osservare una correlazione non locale. In un altro gruppo di esperimenti, i due osservatori, Alice e Bob, sono stati messi in moto in direzioni opposte in modo che, secondo il proprio riferimento inerziale, ognuno di essi eseguiva la misura per primo e quindi non poteva essere influenzato dall’altro, ne consegue che la correlazione quantistica avviene senza un ordine temporale. Tutti gli esperimenti portano a concludere che la natura è realmente non locale e questo ha implicazioni sia per la nostra visione del mondo che per le future tecnologie. L’applicazione più avanzata della scienza dell’informazione quantistica è oggi il Quantum Key Distribution (QKD) che può sfruttare la crittografia quantistica basata sui codici ottenuti con una correlazione che viola la diseguaglianza di Bell. Nulla nello spaziotempo ci può dire come avviene la correlazione non locale, che quindi sembra emergere in qualche modo da fuori lo spaziotempo.
Science, 2 Apr 2010, Vol. 328, pg. 55 – Thomas D. Cohen – La teoria del campo quantistico combina la relatività e la meccanica quantistica ed è il formalismo che descrive il modello standard delle particelle della fisica. La struttura matematica della teoria del campo quantistico richiede che tutte le particelle abbiano delle antiparticelle della stessa massa ma con cariche elettriche opposte. Un qualsiasi sistema fisico, descrivibile con questa teoria, per quanto complesso ed esotico, richiede un corrispondente sistema di antimateria di massa identica. Nel nostro universo c’è in realtà preponderanza di materia su antimateria e le antiparticelle che si generano finiscono con incontrare le loro corrispondenti di materia e si annichiliscono con emissione di fotoni; per questo anche la loro generazione è difficile. Un modo di generare particelle di antimateria è di usare collisioni ad alta energia come quelle prodotte dal Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory. In un esperimento, detto STAR Collaboration presso il RHIC, è stato creato un antihypertriton, antiparticella dell’hypertriton che è una variante del triton o trizio, isotopo dell’idrogeno con un protone e due neutroni in cui uno dei due ordinari quark down del neutrone è stato rimpiazzato da uno strange quark. L’antihypertriton è una struttura complicata e richiede che 9 antiquark (quattro up, quattro down e uno strange) si vengano a trovare a distanza di un paio di femtometri (10E-15 metri) fra loro senza incontrare quark normali con cui annichilirsi. Nel RHIC due nuclei di oro sono accelerati a 0,9995 volte la velocità della luce e nella collisione si creano gluoni, quark e antiquark in una sfera di fuoco che, in tempi di 10E-23 secondi, devono raggiungere un equilibrio termico a temperature di pochi 10E15 kelvin. La sfera di fuoco formata da un plasma quark-gluoni si espande e raffredda creando degli adroni, mesoni e barioni (neutroni, protoni e hyperioni). Statisticamente, ma con minore probabilità, si formano antiquark e antinuclei e si può generare un antihypertriton. La sua formazione, nel progetto STAR, ha dimostrato che ogni particella fisica ha una sua antiparticella con la stessa massa. L’antihypertriton è anche instabile e decade per interazione debole.
Science, 25 Jun 2010, Vol. 328, pg. 1645 – H. W. van der Hart – Il processo della fotoemissione ha portato alla formulazione della meccanica quantistica. Quando un atomo, o una superficie assorbe dalla luce una sufficiente energia, la può trasferire a un elettrone che sarà emesso. Le teorie della fotoemissione si focalizzano sui bilanci energetici e ignorano fattori temporali e dinamici. In realtà, le complesse interazioni degli elettroni provocano dei piccoli ritardi fra assorbimento della luce ed emissione dell’elettrone. Questo ritardo è stato poco indagato per due motivi. Non si può seguire l’assorbimento di un fotone. Al più si può verificare quando è emesso l’elettrone e misurare il ritardo ponendo al tempo zero l’assorbimento della luce. In pratica questo ritardo è estremamente breve e, solo recentemente, con i laser che emettono impulsi di un attosecondo (10E-18 s), si sono eseguite misure tenendo conto della complessa dinamica della fotoemissione. L’emissione di un elettrone cambia l’atomo neutro in uno ione positivo. I livelli di energia dei rimanenti elettroni si modificano e il tempo necessario per questa trasformazione da origine a un primo ritardo. Sono stati studiati i processi di trasformazione nella ionizzazione di un atomo di neon (Ne) che ha due livelli energetici per i suoi 8 elettroni. Il primo livello (2s) contiene 2 elettroni e il secondo livello (2p) 6 elettroni. La ionizzazione può avvenire strappando un elettrone dal livello 2s o dal livello 2p. Per il secondo caso si richiedono 20 attosecondi (ats) in più e questo mostra la maggiore complessità della dinamica degli elettroni multipli dovuta alla loro forza repulsiva. Con la nuova tecnica degli impulsi laser ultracorti si è superata una nuova frontiera nella comprensione fisica dei fenomeni dinamici durante la fotoemissione.
Science, 23 July 2010, Vol. 329, pg. 396 – James D. Franson – L’interferenza quantistica è una delle più misteriose proprietà della meccanica quantistica. Feynman ha citato l’esperimento dell’interferenza di una singola particella con la doppia fenditura come il solo mistero della meccanica quantistica. Di recente Urbasi Sinha dell’Institute for Quantum Computing dell’Università di Waterloo, Ontario, Canada, ha descritto un suo recente esperimento che generalizza il fenomeno dell’interferenza quantistica in una configurazione multipath (di ordine più alto) che avrebbe potuto mostrare una violazione della regola di Born. Realizzando un esperimento con tre fenditure le deviazioni sono inferiori a 1% rispetto al caso delle due fenditure. Nella meccanica classica i risultati possono essere espressi in termini di probabilità, nella meccanica quantistica la probabilità è espressa da una funzione d’onda che può assumere anche valori negativi perché espressa da numeri complessi, tenendo conto degli sfasamenti dei percorsi. Per esempio, se un singolo fotone può seguire tre possibili percorsi per arrivare al rivelatore di un interferometro con tre diversi valori di probabilità, in meccanica quantistica le tre probabilità sono numeri complessi, che derivano dalla funzione d’onda, e la probabilità totale si calcola come quadrato del modulo della loro somma o moltiplicando la loro somma per il complesso coniugato. Nella meccanica classica si sommano semplicemente le tre probabilità. Questo diverso comportamento è alla base del “mistero” segnalato da Feynman. Sinha ha eseguito una serie di accurate misure con una maschera che realizza fessure singole, doppia e tripla in tutte le combinazioni ed ha usato singoli fotoni e impulsi laser abbastanza deboli da produrre in media molto meno di un fotone. Ogni tentativo di spiegare l’interferenza quantistica con le regole classiche cozza con la necessità di trasmettere l’informazione dello stato quantistico a velocità maggiori di quelle della luce in violazione ai principi della relatività speciale, situazione che non si verifica essendo impossibile sfruttare i fenomeni quantistici per trasmettere informazioni a velocità superluminari. Rimane l’incompatibilità fra teoria quantistica e relatività generale, in particolare fra meccanica quantistica e gravitazione la cui combinazione rappresenta oggi uno dei maggiori obiettivi della moderna fisica. Se si potesse quantizzare la gravità, potrebbe essere possibile sperimentare l’interferenza quantistica usando i gravitoni invece dei fotoni. L’unificazione delle due teorie richiede delle modifiche alla teoria quantistica per superare le singolarità matematiche che producono risultati infiniti non normalizzabili. Altre misure d’interferenza con altri tipi di particelle, come neutroni o macromolecole (C60), potrebbero scoprire deviazioni utili a fissare dei limiti alle modifiche necessarie.