Fisica quantistica: un nuovo metodo per misurare l’Universo

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Misurare l’Universo, rilevare le fluttuazioni dello spazio-tempo legate a onde gravitazionali in arrivo: si aprono nuove prospettive per la ricerca più avanzata in fisica e cosmologia grazie a uno studio italiano pubblicato su Physical Review Letters. Uno studio teorico di fisica quantistica firmato da Marilù Chiofalo dell’Università di Pisa e da un giovane ricercatore, Leonardo Lucchesi, che permetterà di migliorare le prestazioni di dispositivi quantistici di misura, un ambito in cui si incrociano informatica quantistica, interazioni fondamentali, cosmologia e fisica della materia.

Entanglement di fermioni

Protagonisti dello studio sono i fermioni, particelle quantistiche che prendono il nome dal fisico Enrico Fermi, e l’entanglement, il fenomeno per cui due particelle possono continuare a condividere determinate caratteristiche anche se allontanate a grande distanza.

Come tutte le particelle quantistiche, ogni fermione è associato a un’onda di probabilità di essere in un certo spazio in un dato tempo, e può essere entangled con un altro fermione, in modo che le loro due onde di probabilità siano inestricabilmente correlate: come se, lanciando due dadi, all’uscita di un numero su un dado corrisponda l’uscita dello stesso numero sull’altro dado.

Lo studio estende il concetto di entanglement a un grandissimo insieme di atomi di natura fermionica, spiega Chiofalo: “Usando la duplice natura delle correlazioni tra atomi legata alle caratteristiche quantistiche e alle forze con cui interagiscono tra loro, è come se le onde di probabilità dei molti atomi entangled formassero un groviglio di capelli non pettinati per anni. Paradossalmente, mentre l’entanglement potenzia le caratteristiche quantistiche e, dunque, probabilistiche dello stato (tanto che non sappiamo come sia fatto), sappiamo però che ne riduce l’incertezza al livello utile per un interferometro atomico: è la misteriosa bellezza della fisica quantistica!”.

Dalla fisica quantistica due risultati cruciali

Il lavoro di fisica quantistica “made in Pisa” può contribuire al miglioramento delle prestazioni di dispositivi quantistici di misura, un ambito di ricerca dove si incrociano tante fisiche: informatica quantistica, interazioni fondamentali, cosmologia, fisica della materia. In questo scenario, lo studio apporta due contributi cruciali: per la prima volta si dimostra che anche l’interazione di atomi a cortissima distanza potenzia le proprietà di entanglement. Lo stato con migliori prestazioni, infatti, è risultato un insieme “molto aggrovigliato” di atomi, nella forma di gocce quantistiche. Non solo: lo studio stabilisce un metodo non convenzionale per caratterizzare le fasi quantistiche di un sistema di molti atomi. Il metodo, spiega Lucchesi, si basa proprio sull’informazione relativa al contenuto di entanglement dei fermioni, utilizzando il concetto di informazione quantistica di Fisher per descrivere il modo in cui gli atomi si ordinano a costituire la materia: un concetto al cuore della fisica della materia nella sua forma condensata. “Ora”, aggiunge Chiofalo, “è necessario concepire un protocollo operativo per l’interferometro e controllare la fragilità dello stato mentre interagisce inevitabilmente con l’ambiente esterno, aspetti che stiamo indagando in una collaborazione internazionale”.

La fisica quantistica e le ultime frontiere della ricerca

Svolto nell’ambito della ricerca MAGIA-Advanced finanziata dall’INFN, lo studio è in sintonia con la proposta di ricerca AEDGE (Atomic Experiment for Dark Matter and Gravity Exploration in Space) presentata all’Agenzia Spaziale Europea per il piano Voyage 2050. “L’idea”, racconta Chiofalo, “è concepire esperimenti di interferometria atomica, complementari a VIRGO-LIGO o esperimenti di alte energie, per indagare problemi aperti di cosmologia e interazioni fondamentali: per rilevare materia oscura, onde gravitazionali, o ancora per verificare se particelle con masse differenti cadano in gravità con la stessa accelerazione, un test realizzato ingegnosamente per primo da Galileo con il pendolo, e che oggi mira a precisioni da mille a un milione di volte superiori”. Nuove frontiere della ricerca che saranno al centro della prossima Conferenza internazionale “Quantum gases, fundamental interactions, and cosmology” (QFC), che dal 23 al 25 ottobre radunerà a Pisa scienziate e scienziati da tutto il mondo, per far nascere nuove idee.

Riferimenti: Physical Review Letters

Foto di Gerd Altmann da Pixabay