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La meccanica quantistica ha tradizionalmente descritto il comportamento di particelle elementari, atomi e molecole. Tuttavia non si sa perché gli oggetti più grandi, che abitano il regno della meccanica classica, non seguano le stesse regole.
Ciò significherebbe che questi oggetti potrebbero mostrare lo stesso comportamento quantistico «spaventoso», per usare la definizione di Einstein. Questo include l’entanglement, ovvero quando due oggetti distanti si intrecciano in un modo che sfida la fisica classica e la nostra comprensione comune della realtà.
«I sistemi classici più archetipici della fisica sono “oggetti massicci in movimento” e pertanto occupano un posto privilegiato nella ricerca del potenziale quantistico del mondo macroscopico», afferma Mika Sillanpää, il coordinatore del progetto CAVITYQPD, finanziato dall’UE e sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca. «Pur trattandosi di un’ambizione storica, le difficoltà degli esperimenti hanno presentato barriere significative.»
Utilizzando tecniche appositamente sviluppate in grado di effettuare misurazioni quantistiche sensibili, il team, insieme a un altro gruppo, ha dimostrato per la prima volta che piccoli risonatori meccanici (di soli 15 micron di diametro ma massicci su scala atomica) possono essere inseriti in uno stato quantico intrecciato.
«L’entanglement è estremamente fragile; in precedenza è stato osservato soprattutto in sistemi microscopici come la luce o gli atomi, e più recentemente nei circuiti elettrici superconduttori», spiega Sillanpää, dell’Università di Aalto, che ospita il progetto.
Relazioni quantistiche nel mondo classico
In CAVITYQPD, i risonatori micromeccanici, in questo caso piccole membrane di tamburo vibranti fatte di alluminio metallico su un chip di silicio, rappresentavano oggetti massicci in movimento. Il movimento di questi oggetti si comporta tipicamente secondo le regole della fisica classica; lo stato di un oggetto, come un pendolo, rende prevedibile il suo movimento nello spazio e nel tempo.
«La società moderna si affida ai risonatori micromeccanici perché si trovano in tutta la nostra elettronica, dove le loro vibrazioni affidabili, prevedibili e precise rappresentano un “orologio” per i processori», aggiunge Sillanpää.
Il progetto si proponeva di determinare se l’entanglement tra due risonatori micromeccanici potesse essere indotto e rilevato tra sistemi atomici.
Sebbene vi siano molti tipi diversi di risonatori micromeccanici, CAVITYQPD ha sviluppato le proprie versioni, collaudando i progetti in camere controllate, integrate da simulazioni al computer.
L’entanglement è stato indotto posizionando i risonatori micromeccanici vibranti in un piccolo dispositivo noto come risonatore a cavità. Qui, i risonatori micromeccanici sono manipolati in uno stato intrecciato usando un circuito superconduttore a microonde. «Quando si raggiunge l’entanglement, i risonatori micromeccanici vibrano in sincronia, il che è rilevabile nelle emissioni di microonde, dandoci la prova diretta della riuscita dell’entanglement» spiega Sillanpää.
Perché questo funzioni, gli esperimenti sono condotti a una temperatura vicina allo zero assoluto, a -273 ºC.
Un salto quantico per l’ingegneria?
Molte aziende e molti istituti di ricerca stanno attualmente investendo nella tecnologia quantistica, e l’entanglement è una componente fondamentale dell’elaborazione dell’informazione quantistica.
I risonatori micromeccanici potrebbero offrire un’interfaccia quantistica tra il mondo quotidiano e i processori a qubit allo stato solido dei computer quantistici, offrendo una potenza di calcolo che va ben oltre le capacità attuali. Il team CAVITYQPD è stato infatti tra i primi ad accoppiare un risonatore micromeccanico a un qubit superconduttore, l’unità di base dell’informazione quantistica.
Una possibile strada da percorrere potrebbe ora essere la conversione dell’informazione del qubit in fotoni usando un risonatore meccanico. Ciò permetterebbe il collegamento di informazioni quantistiche a lunga distanza su reti di fibre ottiche. «Un’interfaccia che collega i qubit allo stato solido ai segnali ottici offre una gamma di applicazioni che vanno oltre il calcolo quantistico, come i sensori quantistici ipersensibili che potrebbero, per esempio, misurare le onde gravitazionali», afferma Sillanpää.
Il team ha ora in programma di approfondire argomenti molto ambiziosi, ma ancora poco compresi, che riguardano la fisica quantistica, come la natura precisa dell’interazione tra meccanica quantistica e gravità, e la teoria della relatività generale di Einstein.
«Sì, è un obiettivo molto ambizioso ma ogni ricerca che vale la pena intraprendere all’inizio può sembrare scoraggiante», conclude Sillanpää.