Quantum Hamelin Flute costringe le particelle di luce a muoversi insieme in un modo mai visto prima. Lo strumento costringe più fotoni a interagire tra loro, un fenomeno considerato strano dai fisici. L’artefatto potrebbe aprire la strada all’apprezzamento di fenomeni quantistici sconosciuti in natura.

Un gruppo di fisici dell’Università di Chicago ha inventato un “flauto quantistico” che, come quello di Hamelin, può costringere le particelle di luce a muoversi insieme in un modo mai visto prima.

Descritta in due studi pubblicati su Physical Review Letters e Nature Physics, la svolta potrebbe aprire la strada alla realizzazione di memorie quantistiche o nuove forme di correzione degli errori nei computer quantistici, nonché all’osservazione di fenomeni quantistici che non possono essere visti sullo schermo della natura.

I ricercatori hanno lavorato con bit quantistici, l’equivalente quantistico di un bit di computer, che sfruttano le strane proprietà delle particelle a livello atomico e subatomico per fare cose che altrimenti sarebbero impossibili.

Uno strumento simile a un flauto

In questo esperimento sono state utilizzate particelle di luce note come fotoni. Lo strumento ideato dagli esperti consiste in una lunga cavità ricavata da un unico blocco di metallo progettata per intrappolare i fotoni alle frequenze delle microonde. La cavità è realizzata praticando fori sfalsati, come i fori di un flauto. David Schuster, ricercatore principale (e autore della foto sopra):

“Proprio come nello strumento musicale, puoi inviare una o più lunghezze d’onda di fotoni attraverso l’intero array e ogni lunghezza d’onda crea una ‘nota’ che può essere utilizzata per codificare le informazioni quantistiche“.

Gli scienziati sono stati in grado di controllare le interazioni delle ‘note’ utilizzando un master quantum bit, un circuito elettrico superconduttore. Tuttavia, la sua scoperta più strana è stata il modo in cui i fotoni si comportavano insieme.

In natura, i fotoni non interagiscono quasi mai, passano semplicemente l’uno attraverso l’altro. Con un’attenta preparazione, gli scienziati a volte possono far reagire due fotoni alla presenza dell’altro.

“Qui facciamo qualcosa di ancora più strano. All’inizio, i fotoni non interagiscono affatto, ma quando l’energia totale nel sistema raggiunge un punto critico, improvvisamente tutti parlano tra loro”, ha aggiunto Schuster.

Tutti i fotoni “interagiscono contemporaneamente”

Avere così tanti fotoni che ‘parlano’ tra loro in un esperimento di laboratorio è estremamente strano, come vedere un gatto che cammina sulle zampe posteriori. Il fisico:

“In genere, la maggior parte delle interazioni delle particelle sono uno a uno: due particelle che rimbalzano o si attraggono a vicenda. Se ne aggiungi una terza, di solito interagiscono ancora in sequenza con l’una o con l’altra, ma questo sistema le fa interagire allo stesso modo tempo”.

Alla ricerca di fenomeni fisici complessi

I loro esperimenti hanno testato solo fino a cinque ‘note’ alla volta, ma gli scienziati prevedono di eseguire centinaia o migliaia di note attraverso un singolo qubit per controllarle. Con un’operazione complessa come un computer quantistico, gli ingegneri vogliono semplificare il più possibile.

“Se volessi costruire un computer quantistico con 1.000 bit e potessi controllarli tutti in un solo bit, sarebbe incredibilmente prezioso”, ha detto Schuster.

I ricercatori sono anche entusiasti del comportamento stesso: nessuno ha osservato nulla di simile a queste interazioni in natura, quindi sperano anche che la scoperta possa essere utile per simulare complessi fenomeni fisici che non possono nemmeno essere visti qui sulla Terra, inclusi forse alcuni di la fisica dei buchi neri.