L’Università di Oxford ha recentemente fatto una scoperta fondamentale nel campo della fisica quantistica. Un gruppo di ricercatori ha infatti dimostrato, per la prima volta, l’effetto del quadsqueezing, un’interazione quantistica di quarto ordine, su un singolo ione intrappolato. Questa ricerca, pubblicata su Nature Physics, rappresenta un importante passo in avanti nella capacità di generare e controllare interazioni quantistiche sempre più complesse, con implicazioni significative per le tecnologie quantistiche del futuro, come la simulazione, la sensoristica e l’informatica quantistica.
La Squeezerizzazione e i limiti della precisione quantistica
Una delle tecniche più utilizzate nella fisica quantistica per controllare gli oscillatori è la squeezerizzazione. Questo metodo sfrutta i principi della meccanica quantistica, secondo i quali esistono limiti ben precisi alla misurabilità simultanea di alcune coppie di proprietà fisiche, come posizione e quantità di moto. La squeezerizzazione ridistribuisce questa incertezza, aumentando la precisione in una proprietà mentre introduce maggiore incertezza nell’altra. Un’applicazione pratica di questa tecnica è l’uso della luce squeezerizzata nei rilevatori di onde gravitazionali come LIGO, dove migliora la sensibilità.
Tuttavia, la squeezerizzazione standard rappresenta solo una parte delle possibili interazioni quantistiche. Gli scienziati hanno cercato per anni di realizzare versioni più complesse di questo fenomeno, come il trisqueezer e il quadsqueezer, ma questi effetti di ordine superiore sono molto più difficili da ottenere e spesso vengono sopraffatti dal rumore ambientale. Per questo motivo, osservare queste interazioni avanzate è stato per lungo tempo una sfida.
Un nuovo metodo basato su forze non commutative
Per superare queste difficoltà, i ricercatori dell’Università di Oxford hanno sviluppato una nuova soluzione. Hanno combinato due forze controllate con precisione applicate su un singolo ione intrappolato. Questo approccio si basa su una teoria proposta nel 2021 da Dr. Raghavendra Srinivas e Robert Tyler Sutherland, che suggeriva che, sebbene ciascuna delle forze agisca separatamente con effetti semplici e prevedibili, la loro combinazione genera un’interazione molto più forte e complessa. Questo fenomeno si verifica grazie alla non commutatività, un effetto quantistico in cui l’ordine e la combinazione delle azioni cambiano l’esito, permettendo alle forze di amplificarsi reciprocamente.
Dr. Oana Băzăvan, autore principale della ricerca e membro del Dipartimento di Fisica dell’Università di Oxford, ha dichiarato: “in laboratorio, le interazioni non commutative sono spesso viste come un fastidio perché introducono dinamiche indesiderate. Qui, abbiamo preso l’approccio opposto, sfruttando questa caratteristica per generare interazioni quantistiche più forti”.
La dimostrazione del quadsqueezing
Utilizzando lo stesso setup sperimentale, il team di Oxford è riuscito a passare tra diversi livelli di squeezerizzazione. Hanno ottenuto con successo effetti di squeezerizzazione standard, trisqueezer e, per la prima volta in assoluto su qualsiasi piattaforma, il quadsqueezing, un’interazione di quarto ordine. L’intuizione dei ricercatori è stata quella di modificare le frequenze, le fasi e le intensità delle forze applicate, riuscendo così a controllare quale tipo di interazione emergesse, riducendo al minimo gli effetti indesiderati.
Dr. Băzăvan ha sottolineato: “il risultato non è solo la creazione di un nuovo stato quantistico. È una dimostrazione di un nuovo metodo per ingegnerizzare interazioni che prima erano irraggiungibili. L’interazione di quarto ordine, il quadsqueezing, è stata generata più di 100 volte più velocemente di quanto ci si aspettasse utilizzando i metodi convenzionali. Questo rende accessibili effetti che prima erano fuori dalla portata pratica”.
Verifica degli effetti quantistici
Per confermare la validità dei risultati ottenuti, i ricercatori hanno ricostruito il movimento quantistico dello ione intrappolato. Le misurazioni hanno rivelato schemi distintivi corrispondenti a squeezerizzazione di secondo, terzo e quarto ordine, fornendo prove inequivocabili che ogni tipo di interazione era stato effettivamente creato.
L’approccio sviluppato dai ricercatori di Oxford non si limita al singolo ione intrappolato, ma può essere esteso anche a sistemi più complessi che coinvolgono più modalità di movimento. Poiché questa tecnica si basa su strumenti già disponibili in molte piattaforme quantistiche, potrebbe diventare un metodo ampiamente utilizzato per esplorare comportamenti quantistici avanzati.
Gli scienziati hanno già integrato questo approccio con misurazioni mid-circuit dello spin dell’ione, generando combinazioni flessibili di stati squeezerizzati e simulando teorie di gauge lattice. Questo è solo l’inizio, e le potenzialità future di questa ricerca potrebbero rivoluzionare le applicazioni pratiche della fisica quantistica.
Dr. Raghavendra Srinivas, co-autore dello studio e supervisore del lavoro, ha dichiarato: “fondamentalmente, abbiamo dimostrato un nuovo tipo di interazione che ci consente di esplorare la fisica quantistica in territori inesplorati, e siamo veramente entusiasti delle scoperte che potrebbero arrivare”.