quando la luce doma gli elettroni

I ricercatori dell’Istituto Max Planck di fisica nucleare di Heidelberg hanno compiuto un nuovo passo nella padronanza dei fenomeni quantistici. Sono infatti riusciti a controllare la direzione del movimento degli elettroni all’interno di una molecola di idrogeno utilizzando impulsi laser ultraveloci. Questa impresa scientifica, sulla scala degli attosecondi (un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo), potrebbe trasformare il futuro dell’informatica quantistica e delle tecnologie dell’informazione.

La fisica quantistica in poche parole

IL fisica quantistica è la branca della scienza che si concentra sui fenomeni su scala delle particelle subatomiche, come elettroni, protoni e fotoni. A questi livelli microscopici, le regole della fisica classica che conosciamo (come quelle che governano la gravità o il movimento) non si applicano più. Le particelle seguono quindi comportamenti strani, spesso controintuitivi.

L’importanza della fisica quantistica risiede nel suo potenziale rivoluzionario. È già la base delle moderne tecnologie come i laser o i transistor, che costituiscono le basi degli attuali computer. Tuttavia, le sue future applicazioni, in particolare in calcolo quantisticopromettono progressi ancora più spettacolari. Questa disciplina permetterebbe di sfruttare i “qubit”, unità di informazione quantistica capaci di esistere in più stati contemporaneamente, che permetterebbero di risolvere calcoli complessi in tempi record.

Cos’è l’entanglement quantistico?

Un concetto chiave per comprendere l’esperimento condotto dai ricercatori dell’Istituto Max Planck è quello di entanglement quantistico. È un fenomeno in cui due particelle, anche se situate a distanza, rimangono “collegate”. Questo significa questo ciò che accade all’uno influisce istantaneamente sull’altro, indipendentemente dallo spazio che li separa.

Per semplificare, immagina di avere due guanti da un paio. Se ne trovi uno e vedi che è il guanto destro, saprai automaticamente che il secondo è il guanto sinistro, non importa dove si trovi. Nella fisica quantistica l’entanglement funziona in modo simile, ma va ben oltre questa semplice analogia. Permette stati simultanei di particelle che sono cruciali per i computer quantistici.

L’esperienza dei ricercatori dell’Istituto Max Planck

Nell’ambito di uno studio, i ricercatori dell’Istituto Max Planck sono riusciti a farlo manipolare questo intreccio In cambiare la direzione del movimento degli elettroni in una molecola di idrogeno (una molecola semplice composta da due protoni e due elettroni). Per fare ciò, hanno utilizzato lampi laser ultraveloci, dell’ordine degli attosecondi, per controllare con precisione la traiettoria degli elettroni. Regolando il tempo tra due impulsi luminosi, sono riusciti a influenzare l’emissione di un elettrone lasciando l’altro impigliato nella molecola.

L’impresa dei fisici sta nel controllare l’asimmetria di emissione di un elettrone liberato rispetto a quello rimasto legato alla molecola. Questo controllo è reso possibile dalla regolazione precisa del ritardo tra gli impulsi laser. Questi ultimi permettono principalmente di influenzare le interazioni tra gli elettroni e di indirizzarne il movimento su una scala temporale ultrabreve, molto meno di un femtosecondo (un millesimo di miliardesimo di secondo).

Perché è importante?

Questa scoperta rappresenta un progresso significativo per diverse ragioni. Ci avvicina al possibilità di manipolare gli stati quantistici entangled molto più rapidamente di quanto fosse possibile prima. Fino ad ora, i ricercatori hanno lavorato su scale di nanosecondi (10⁻⁹ s) o femtosecondi (10⁻¹⁵ s). Il passaggio alla scala degli attosecondi rappresenta un’accelerazione spettacolare, oltre 100.000 volte più veloce.

Questa svolta potrebbe avere importanti ripercussioni nel campo dell’informatica quantistica. Infatti, una delle maggiori sfide di questa tecnologia è la “decoerenza”, ovvero la perdita di informazioni dovuta a disturbi esterni. Quanto più velocemente possono essere eseguiti i calcoli, tanto meno i qubit saranno esposti a questi disturbi, rendendo i calcoli più stabili e affidabili.

Inoltre, questo progresso potrebbe rendere possibile lo sviluppo di algoritmi quantistici in grado di elaborare informazioni su scale temporali estremamente brevi. Ciò aprirebbe la strada a una nuova generazione di computer quantistici in grado di risolvere problemi complessi molto più velocemente degli attuali computer classici.

Anche se questo scoperta è impressionante, siamo ancora lontani dal vedere un’applicazione diretta nei computer quantistici di consumo. Il controllo degli stati quantistici entangled su scale temporali così brevi rimane un’impresa sperimentale delicata e le sfide tecniche sono ancora numerose.

Tuttavia, questo progresso fornisce informazioni preziose per il futuro sviluppo delle tecnologie quantistiche. Comprendendo meglio il comportamento delle particelle su scala di attosecondi, i ricercatori continuano ad ampliare i confini della scienza e dell’ingegneria, portandoci un passo avanti verso il sogno dell’informatica quantistica.