Gli orologi atomici di domani

Misurando con precisione le vibrazioni quantistiche negli atomi e la loro evoluzione nel tempo, i ricercatori possono affinare la precisione dei sensori quantistici per ottenere un mondo in miniatura di informazioni non accessibili nei normali scenari

MIT Technology Review Italia

Uno dei principali ostacoli nel percorso verso misurazioni quantistiche precise è il rumore di fondo, che può facilmente sopraffare le sottili vibrazioni atomiche, rendendo diabolicamente difficile il loro monitoraggio. Ora, i fisici del MIT hanno dimostrato di poter amplificare significativamente i cambiamenti quantistici nelle vibrazioni atomiche, sottoponendo le particelle a due processi chiave: entanglement quantistico e inversione temporale.

Ovviamente, non si è scoperto il modo di invertire il tempo, ma i fisici hanno manipolato atomi correlati quantisticamente per fare in modo che le particelle si comportassero come se si stessero evolvendo all’indietro nel tempo. Poiché i ricercatori hanno effettivamente riavvolto il nastro delle oscillazioni atomiche, qualsiasi modifica a tali oscillazioni è stata amplificata, permettendo di misurarla.

In un articolo su “Nature Physics”, il team del Dipartimento di Fisica del MIT, dimostra che la tecnologia, definita con l’acronimo SATIN (signal amplification through time reversal, amplificazione del segnale attraverso l’inversione del tempo), è il metodo a oggi più sensibile per misurare le fluttuazioni quantistiche. La tecnologia potrebbe migliorare la precisione degli attuali orologi atomici all’avanguardia di un fattore 15, rendendo i loro tempi così precisi da avere un margine di errore sull’età dell’universo di meno di 20 millisecondi. Il metodo potrebbe anche essere utilizzato per migliorare i sensori quantistici progettati per rilevare le onde gravitazionali, la materia oscura e altri fenomeni fisici.

E’ accertato che un dato tipo di atomo vibra a una frequenza particolare e costante che, se opportunamente misurata, può fungere da pendolo molto preciso, quantificando il tempo a intervalli molto più brevi dei secondi di un orologio da cucina. Ma alla scala di un singolo atomo, le leggi della meccanica quantistica prendono il sopravvento e l’oscillazione dell’atomo cambia come la faccia di una moneta ogni volta che viene lanciata. Solo effettuando molte misurazioni di un atomo gli scienziati possono ottenere una stima della sua effettiva oscillazione, una restrizione nota come limite quantico standard.

Nel 2020, il gruppo di Vatlan Vuletic dell’Experimental Atomic Physics, ha dimostrato che la precisione degli attuali orologi atomici potrebbe essere migliorata aggrovigliando gli atomi, un fenomeno quantistico detto entanglement mediante il quale le particelle sono costrette a comportarsi in uno stato collettivo altamente correlato. In questo stato intrecciato, le oscillazioni dei singoli atomi dovrebbero spostarsi verso una frequenza comune che richiederebbe molti meno tentativi per ottenere una misura accurata. Ma allora gli strumenti usati per misurare le oscillazioni atomiche non erano abbastanza sensibili da leggere qualsiasi cambiamento sottile nelle oscillazioni collettive degli atomi.

Nel nuovo studio, il team ha cercato di amplificare il segnale delle oscillazioni, in modo da poterlo misurare con gli strumenti attuali. Lo hanno fatto sfruttando un altro fenomeno curioso nella meccanica quantistica: l’inversione del tempo. Secondo il sistema Hamiltoniano un gruppo di atomi completamente isolato dal rumore di fondo di tutti i giorni, dovrebbe evolversi nel tempo in modo prevedibile e le interazioni degli atomi (come le loro oscillazioni) dovrebbero rientrare nella descrizione matematica dell’energia totale del sistema. 

Negli anni 1980, i teorici prevedevano che se lo stesso sistema quantistico fosse stato fatto de-evolvere, sarebbe stato come tornare indietro nel tempo. “Nella meccanica quantistica, seguendo la teoria Hamiltoniana si può tenere traccia di ciò che il sistema sta facendo nel tempo, come una traiettoria quantistica“, spiega Pedrozo-Peñafiel. “Se questa evoluzione è completamente quantistica, la meccanica quantistica permette di de-evolvere, o tornare indietro allo stato iniziale”.

Per il loro nuovo studio, il team ha studiato 400 atomi ultrafreddi di itterbio, uno dei due tipi di atomi utilizzati negli orologi atomici di oggi. Hanno raffreddato gli atomi appena sopra lo zero assoluto, a temperature in cui la maggior parte degli effetti classici come il calore svaniscono e il comportamento degli atomi è governato esclusivamente da effetti quantistici. Il team ha utilizzato sistemi laser per intrappolare gli atomi, quindi ha inviato una luce “aggrovigliata” di colore blu, che ha costretto gli atomi a oscillare in uno stato correlato. Hanno lasciato che gli atomi entangled si evolvessero in avanti nel tempo, quindi li hanno esposti a un piccolo campo magnetico, che ha introdotto un minuscolo cambiamento quantico, spostando leggermente le oscillazioni collettive degli atomi.

Un tale spostamento sarebbe impossibile da rilevare con gli strumenti di misurazione esistenti. Invece, il team ha applicato l’inversione del tempo per amplificare questo segnale quantistico. Per fare ciò, hanno inviato un altro laser dalle sfumature rosse che ha stimolato gli atomi a districarsi, come se si stessero evolvendo indietro nel tempo. Hanno quindi misurato le oscillazioni delle particelle mentre tornavano ai loro stati districati e hanno scoperto che la loro fase finale era notevolmente diversa dalla loro fase iniziale: una chiara prova che si era verificato un cambiamento quantistico da qualche parte nella loro evoluzione in avanti.

Il team ha ripetuto questo esperimento migliaia di volte, e ha scoperto che il sistema entangled era fino a 15 volte più sensibile dei sistemi atomici non intrecciati. In futuro, i ricercatori sperano di testare questo metodo sui sensori quantistici, per misurare i cambiamenti nel modo in cui scorre il tempo in presenza di materia oscura.

Fotografia: Pixabay, Kellepics

(rp)

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