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I salti quantistici del suono sono stati osservati per la prima volta in tempo reale, e a riuscirci è stato un gruppo di ricercatori di Stanford che ha visto singoli fononi sparire di colpo da uno stato energetico all’altro. Non una diminuzione graduale, non una dissolvenza come quella di una campana che smette lentamente di suonare, ma un passaggio netto, secco, da 1 a 0. Il risultato è stato pubblicato su Science e chiude un cerchio aperto più di un secolo fa dalla teoria quantistica.
La storia dei salti quantistici, del resto, è lunga. Fanno parte dell’impianto teorico della fisica quantistica fin dai primi anni del Novecento, ma vederli è tutta un’altra faccenda. La prima dimostrazione sperimentale arrivò nel 1986 con gli ioni intrappolati, poi nel 2007 toccò ai fotoni, le particelle fondamentali della luce. Il suono, invece, è rimasto a lungo un bersaglio scomodo. Ci ha pensato il team guidato dal fisico Amir Safavi-Naeini, professore associato di fisica applicata alla Stanford School of Humanities and Sciences.
Che cosa significa vedere un fonone saltare
Se l’unità minima della luce è il fotone, quella del suono è il fonone, che rappresenta il movimento coordinato di moltissimi atomi. Nella vita di tutti i giorni le vibrazioni sembrano spegnersi in modo continuo e morbido. Alla scala quantistica no: l’energia vibrazionale di un risonatore cambia a gradini discreti, esattamente come accadeva con ioni e fotoni. Esperimenti precedenti avevano già raccolto indizi sul fatto che il suono potesse comportarsi così, ma qui si è andati oltre, seguendo direttamente i singoli fononi mentre compivano il salto.
“Quello che mostra questo studio ci permetterà di andare avanti nello sviluppo di nuove tecnologie quantistiche con il suono”, ha spiegato Safavi-Naeini. “Abbiamo visto che oggetti vibranti possono esibire comportamento quantistico, che è il prerequisito per molte delle operazioni necessarie al calcolo quantistico e al sensing.”
Il cuore dell’esperimento è un risonatore meccanico costruito con tecniche di fabbricazione da chip. È minuscolo, il che significa che in teoria se ne potrebbero mettere tanti su un singolo chip per compiti complicati. Ma la caratteristica decisiva è un’altra: quanto a lungo riesce a vibrare. Funziona un po’ come un diapason microscopico e resta in vibrazione per due millisecondi. Per dare un’idea, un diapason di dimensioni normali con la stessa capacità relativa continuerebbe a suonare per diverse ore.
Misurare senza rovinare tutto
Quel tempo di decadimento insolitamente lungo ha dato ai ricercatori il margine per raccogliere centinaia di misurazioni e individuare l’istante preciso in cui la vibrazione svaniva. Restava però il classico grattacapo dell’ingegneria quantistica: come si osserva un sistema quantistico senza distruggere lo stato fragile che si vuole misurare.
Takuma Makihara ed Erik Szakiel, co primi autori dello studio, hanno messo a punto un metodo per accoppiare il risonatore meccanico a un qubit superconduttore, un circuito elettrico capace di immagazzinare informazione quantistica e che qui ha fatto anche da rivelatore. “Abbiamo dovuto sviluppare continuamente nuovi processi per realizzare questo oggetto vibrante dalla vita estremamente lunga e poi integrarlo con il qubit, il nostro piccolo rivelatore elettrico, senza rovinare nessuno dei due sottosistemi”, ha raccontato Makihara, da poco dottorato a Stanford.
Il qubit interroga il risonatore in continuazione durante i due millisecondi di vibrazione, stabilendo ogni volta se il fonone si trova nello stato 1 o nello stato 0. Ripetendo la verifica un numero enorme di volte si riesce a inchiodare il momento esatto del salto.
Dalla correzione degli errori ai sensori biologici
Le prospettive più immediate riguardano la correzione degli errori quantistici. I computer quantistici promettono di risolvere problemi fuori portata per le macchine classiche, ma i loro stati sono delicatissimi e gli errori spuntano prima che il calcolo finisca. In molti sistemi un salto quantistico segnala proprio che qualcosa è andato storto, e poterlo monitorare nel suono offre uno strumento nuovo.
C’è poi il fronte dei sensori. La combinazione di risonatore meccanico e qubit potrebbe diventare una piattaforma di misura estremamente sensibile: il gruppo di Safavi-Naeini sta già collaborando con il team del fisico Michael Roukes al Caltech per capire se il sistema possa rilevare e identificare proteine all’interno delle cellule.
E c’è l’aspetto più quotidiano. Il suono ha un ruolo importante negli smartphone e in tanti altri dispositivi elettronici, e un controllo sempre più fine delle vibrazioni potrebbe alimentare nuove generazioni di queste tecnologie. “Questo dimostra che possiamo avere un controllo incredibilmente raffinato del suono, il che potrebbe significare che i dispositivi che usano il suono come tecnologia fondamentale possono migliorare parecchio”, ha detto Szakiel, dottorando nel laboratorio di Safavi-Naeini.
Alla ricerca hanno contribuito anche David Schuster, Shannon Harvey dello SLAC National Accelerator Laboratory, Mihir Pendharkar del Ginzton Laboratory, Rachel Gruenke-Freudenstein, Oliver Hitchcock, Matthew Maksymowych e Kaveh Pezeshki. Il lavoro è stato sostenuto tra gli altri da Amazon Web Services, dall’Air Force Office of Scientific Research, dall’Office of Naval Research e dalla National Science Foundation.
Fonte: TecnoAndroid
