Nuovo cronometrista quantistico racchiude diversi orologi in uno solo

Roma – Sviluppato nuovo orologio atomico in grado di dividere la stessa durata di tempo in unità sempre più piccole. A farlo i fisici quantistici dell’Università del Colorado Boulder e del National Institute of Standards and Technology, NIST. Descritto su Nature, il nuovo orologio quantistico potrebbe aprire la strada a nuovi tipi di orologi atomici ottici, dispositivi che tracciano il passaggio del tempo misurando il “ticchettio” naturale degli atomi. Il nuovo orologio del gruppo è costituito da alcune decine di atomi di stronzio intrappolati in un reticolo. Per migliorare le prestazioni del dispositivo, la squadra di ricerca ha generato un tipo di interazione fantasma, nota come entanglement quantistico. I ricercatori hanno dimostrato che, almeno in una ristretta gamma di condizioni, il loro orologio è in grado di battere un parametro di precisione chiamato “limite quantico standard”, quello che il fisico Adam Kaufman definisce il “Santo Graal” per gli orologi atomici ottici. “Siamo in grado di dividere la stessa durata di tempo in unità sempre più piccole”, ha dichiarato Kaufman, autore senior del nuovo studio e collaboratore del JILA, un istituto di ricerca congiunto tra il CU Boulder e il NIST. “Questa accelerazione potrebbe permetterci di tracciare il tempo in modo più preciso”, ha continuato Kaufman. I progressi della squadra di ricerca potrebbero portare a nuove tecnologie quantistiche. Tra questi, i sensori in grado di misurare i sottili cambiamenti dell’ambiente, come ad esempio il modo in cui la gravità della Terra si sposta con l’altitudine. La ricerca rappresenta un altro importante progresso per gli orologi atomici ottici, che possono fare molto di più che leggere l’ora. Per realizzare un dispositivo di questo tipo, gli scienziati iniziano a intrappolare e raffreddare una nuvola di atomi fino a temperature gelide. Poi colpiscono questi atomi con un potente laser. Se il laser è sintonizzato nel modo giusto, gli elettroni che orbitano attorno a quegli atomi saltano da un livello energetico più basso a uno più alto e poi di nuovo indietro, come un pendolo di un orologio che oscilla avanti e indietro, solo che questi orologi ticchettano più di mille miliardi di volte al secondo. I più recenti orologi atomici ottici del JILA, ad esempio, sono in grado di rilevare la variazione di gravità sollevandoli di una frazione di millimetro. “Gli orologi ottici sono diventati una piattaforma importante in molte aree della fisica quantistica, perché consentono di controllare i singoli atomi a un livello così elevato, sia dove si trovano, sia in quali stati si trovano”, ha detto Kaufman. Ma, hanno anche un grosso svantaggio: nella fisica quantistica, le cose piccole come gli atomi non si comportano mai esattamente come ci si aspetterebbe. Queste incertezze naturali pongono un limite apparentemente invalicabile alla precisione di un orologio. L’entanglement, tuttavia, potrebbe fornire una soluzione. Kaufman ha spiegato che quando due particelle si aggrovigliano, le informazioni su una di esse rivelano automaticamente informazioni sull’altra. In pratica, gli atomi entangled in un orologio si comportano meno come individui e più come un singolo atomo, il che rende il loro comportamento più facile da prevedere. Nello studio attuale, i ricercatori hanno generato questo tipo di legame quantistico muovendo gli atomi di stronzio in modo che i loro elettroni orbitassero lontano dal nucleo, quasi come se fossero fatti di zucchero filato. “È come un’orbita soffice”, ha commentato Kaufman. “Questa morbidezza significa che se si avvicinano abbastanza due atomi, gli elettroni possono sentirsi l’uno vicino all’altro, dando luogo a una forte interazione tra di loro”, ha proseguito Kaufman. Queste coppie di coniugi si muovono anche a un ritmo più veloce rispetto agli atomi da soli. La squadra di ricerca ha sperimentato la creazione di orologi che includevano una combinazione di singoli atomi e gruppi entangled di due, quattro e otto atomi; in altre parole, quattro orologi che ticchettavano a quattro velocità in uno. Gli scienziati hanno scoperto che, almeno in determinate condizioni, gli atomi entangled hanno un’incertezza molto minore nel loro ticchettio rispetto agli atomi di un orologio atomico ottico tradizionale. “Ciò significa che impieghiamo meno tempo per raggiungere lo stesso livello di precisione”, ha dichiarato Kaufman. I ricercatori hanno ancora molto lavoro da fare. Per cominciare, possono far funzionare il loro orologio in modo efficace solo per circa 3 millisecondi. Se la durata è superiore, l’entanglement tra gli atomi inizia a perdere colpi e il ticchettio atomico diventa caotico. Ma, Kaufman vede un grande potenziale per il dispositivo. L’approccio della sua squadra all’entangling degli atomi potrebbe, ad esempio, costituire la base per quelle che i fisici chiamano “porte multi-qubit”, ovvero le operazioni di base che eseguono i calcoli nei computer quantistici, o dispositivi che un giorno potrebbero superare i computer tradizionali in alcuni compiti. “La domanda – si è chiesto Kaufman – è: possiamo creare nuovi tipi di orologi con proprietà personalizzate, grazie allo squisito controllo che abbiamo in questi sistemi?”.  (30Sience.com)