I Premi Nobel per la fisica...

Il Nobel per la fisica 2012 è andato a due studiosi (Serge Haroche e David Wineland) che hanno aperto le porte ad una nuova era della sperimentazione nella fisica quantistica, grazie alla possibilità di osservare le singole particelle quantistiche senza distruggerle, riuscendo a misurarle e controllarle con un nuovo metodo. Vediamo di capirci qualcosa in più, per quanto possibile...

 Per quali scoperte/invenzioni sono stati premiati?
Tramite due tecniche da loro implementate sono riusciti a misurare e controllare un singolo sistema quantistico, cioè sono riusciti a osservare gli stati quantistici attraverso una misurazione che non ha distrutto le particelle, quindi esperimenti che non hanno interagito con essi alterandone i risultati o le caratteristiche oppure distruggendole (sembra un riferimento anche al Paradosso del gatto di Schrodinger e al Principio di indeterminazione di Heisenberg).

Qual è il contesto specifico dell'esperimento?
Questa sperimentazioni è avvenuta in un sistema a due stati quantistici, dove questi sono accoppiati ad oscillatori armonici quantizzati sulla base del Hamiltonian del modello Jaynes-Cummings, riferito ad un modo quantizzato di una cavità ottica.
What a mess! Cercando di parafrasare il tutto, il modello Jaynes-Cummings descrive le interazioni di un sistema con due possibili stati quantistici (gli stati quantistici sono le variabili usate per descrivere un sistema quantistico, che sarebbe l'ambiente oggetto di analisi) con un modo quantizzato (quantized mode) di una cavità ottica (cioè le onde continue prodotte tramite riflesso nella cavità ottica, "modi quantizzati"). E l'Hamiltonian di questo modello sarebbe l'energia totale nel sistema.

Come è avvenuto?
Attraverso l'implementazione di due tecniche in un sistema consistente in uno ione con due livelli quantistici accoppiati ad una luce laser oppure in un atomo fortemente eccitato con due livelli di Rydberg accoppiati ad un campo di microonde, dove un oscillatore armonico quantizzato (quello previsto dal modello Jaynes-Cummings) descrive il movimento nella cavità/risonatore ottico dello ione nella "trappola" laser o dell'atomo nel campo di microonde.

• Wineland ha isolato singoli ioni o atomi elettricamente carichi sono tenuti dentro una trappola circondandoli con un campo elettrico in particolare grazie all'utilizzo di raggi laser in grado portare lo ione al suo stato energetico più basso, isolandolo dal calore e dalla radiazione dell'ambiente nel vuoto (vacuum) a temperature molto basse. A livello pratico si tratta di ioni di berillio tenuti intrappolati tramite elettrodi e influenzato tramite un laser. Poi sempre grazie all'impulso laser è riuscito a mettere lo ione in uno stato di sovrapposizione (quantum superposition), per cui lo ione in questione è come se esistesse in ogni suo possibile stato simultaneamente, ma una volta che si effettua la misurazione questa influenza il suo stato portandolo ad uno solo di quelli possibili (questa è una delle interpretazioni della meccanica quantistica); però una volta che è in stato di sovrapposizione, questa "superposition" dello stato energetico dello ione può essere studiata.
• Haroche ha svolto il suo esperimento in una cavità a microonde con due specchi sferici molto riflettenti distanziati di 2,7 cm l'uno, fatti di un materiale superconduttore e ridotti ad una bassissima temperatura, dove i fotoni rimbalzavano per più di un decimo di secondo (per un fotone equivale ad un viaggio intorno alla Terra); durante questo periodo di tempo ha usato degli atomi speciali preparati precedentemente (gli atomi di Rydberg, grossi atomi "a forma di ciambella") per controllare e misurare i fotoni nella cavità, inviandoli uno per uno ad una precisa velocità così da interagire coi fotoni in maniera controllata. L'interazioni del fotone con l'atomo in questione cambia lo stato quantistico dell'atomo, per cui quando esce dalla cavità se dalla misurazione non risulta un un cambio di stato allora non ha interagito, viceversa si possono contare i fotoni nella cavità a seconda dei cambiamenti intervenuti nell'atomo (che altrimenti si distruggerebbero subito a contatto col mondo esterno).

La novità pratica di queste scoperte è intanto la possibilità di dare finalmente risposta al Paradosso del gatto di Schrodinger (che voleva enfatizzare la transizione delle interpretazioni della meccanica quantistica dal mondo quantistico al mondo "classico"), infatti un esperimento del gruppo Haroche che prendeva in considerazione la sovrapposizione di stati di campi di microonde "cat-like" ha permesso di misurare la decoerenza della sovrapposizione (cioè la sua evoluzione in uno stato misto, in seguito alla perdita di coerenza dovuta all'entanglement con l'ambiente, il quale spiegherebbe il collasso della funzione-onda postulato da Von Neumann); in questo caso la decoerenza di questa sovrapposizioni può essere misurata  come una funzione del tempo e delle proprietà  della sovrapposizione degli stati.  Wineland invece ha compiuto un esperimento abbastanza simile ma creando "stati gatto" (cat states) composti da singoli ioni intrappolati in entanglement con stati di movimento coerenti e osservandone la decoerenza (ripreso successivamente anche da Haroche, il quale ha osservato la loro evoluzione in una miscela statistica). In particolare il campo di microonde e gli atomi Rydberg permettono di mappare l'interno della cavità, monitorando così atomo dopo atomo il passaggio dalla sovrapposizione quantistica alla fisica classica.

Una seconda novità molto interessante è l'applicazione della "trappola degli ioni" per costruire un computer quantistico, dove i qubits sono codificati in livelli "iperfini" di ioni intrappolati che interagiscono poco con l'ambiente e perciò hanno una vita più lunga. In questo caso Wineland è stato il primo a condurre un esperimento su un'operazione a due qubit tra movimento e spin con ioni di berillio, operazione chiamata "the controlled NOT gate" (CNOT)
Il fatto è che in un computer quantistico il qubit può avere il valore di 0 e 1 allo stesso tempo, per cui due qubit possono simultaneamente  prendere quattro valori diversi (00, 01, 10, 11) e ogni qubit addizionale raddoppia la quantità di stati possibili. Il problema nella costruzione del computer quantistico sta però nel fatto che i qubit devono essere isolati dall'ambiente esterno affinchè nono siano distrutte le loro proprietà quantistiche, ma allo stesso tempo devono essere in grado di comunicare col mondo esterno per trasmettere il risultato dei calcoli.