L’incertezza può dominare il regno quantistico, ma può essere manipolata a nostro vantaggio.
Quando due buchi neri entrano a spirale e si scontrano, scuotono il tessuto stesso dello spazio, producendo increspature nello spazio-tempo che possono viaggiare per centinaia di milioni di anni luce. Dal 2015, gli scienziati osservano le cosiddette onde gravitazionali per studiare questioni fondamentali sul cosmo, tra cui l’origine di elementi pesanti come l’oro e la velocità di espansione dell’universo.
Ma rilevare le onde gravitazionali non è facile. Quando raggiungono la Terra e i due rilevatori gemelli del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), in Louisiana e nello stato di Washington, le onde si sono dissipate fino a diventare quasi silenziose. I rilevatori di LIGO devono percepire movimenti della scala di un decimillesimo della larghezza di un protone per avere una possibilità.
LIGO ha confermato finora 90 rilevamenti di onde gravitazionali, ma i fisici vogliono rilevarne altri, il che richiederà di rendere l’esperimento ancora più sensibile. E questa è una sfida.
“Il problema di questi rivelatori è che ogni volta che si cerca di migliorarli, in realtà si possono peggiorare le cose, perché sono così sensibili”, dice Lisa Barsotti, fisica del Massachusetts Institute of Technology.
Tuttavia, Barsotti e i suoi colleghi hanno recentemente superato questa sfida, creando un dispositivo che permetterà ai rivelatori di LIGO di rilevare un numero molto maggiore di fusioni di buchi neri e collisioni di stelle di neutroni. Il dispositivo appartiene a una classe crescente di strumenti che utilizzano la compressione quantistica, un modo pratico per i ricercatori che si occupano di sistemi che operano secondo le regole confuse della meccanica quantistica di manipolare questi fenomeni a loro vantaggio.
I fisici descrivono gli oggetti nel regno quantistico in termini di probabilità: ad esempio, un elettrone non si trova qui o là, ma ha una certa probabilità di trovarsi in ogni luogo, bloccandosi in uno di essi solo quando le sue proprietà vengono misurate. La compressione quantistica può manipolare le probabilità e i ricercatori la utilizzano sempre più spesso per esercitare un maggiore controllo sull’atto della misurazione, migliorando drasticamente la precisione di sensori quantistici come l’esperimento LIGO.
“Nelle applicazioni di rilevamento di precisione in cui si vogliono rilevare segnali piccolissimi, la compressione quantistica può essere una grande vittoria”, afferma Mark Kasevich, un fisico dell’Università di Stanford che applica la compressione quantistica per realizzare magnetometri, giroscopi e orologi più precisi con potenziali applicazioni per la navigazione. Anche i creatori di tecnologia commerciale e militare hanno iniziato a cimentarsi con questa tecnica: la startup canadese Xanadu la utilizza nei suoi computer quantistici e lo scorso autunno la DARPA ha annunciato Inspired, un programma per lo sviluppo della tecnologia di compressione quantistica su chip. Vediamo due applicazioni in cui la compressione quantistica viene già utilizzata per spingere i limiti dei sistemi quantistici.
Controllo dell’incertezza
Il concetto chiave alla base della compressione quantistica è il fenomeno noto come principio di indeterminazione di Heisenberg. In un sistema quantomeccanico, questo principio pone un limite fondamentale alla precisione con cui è possibile misurare le proprietà di un oggetto. Per quanto buoni siano i dispositivi di misurazione, essi soffriranno di un livello fondamentale di imprecisione che fa parte della natura stessa. In pratica, questo significa che c’è un compromesso. Se si vuole tracciare con precisione la velocità di una particella, ad esempio, si deve sacrificare la precisione nel conoscere la sua posizione, e viceversa. “La fisica impone dei limiti agli esperimenti e soprattutto alle misure di precisione”, afferma John Robinson, fisico della startup di calcolo quantistico QuEra.
Tuttavia, “comprimendo” l’incertezza in proprietà che non stanno misurando, i fisici possono ottenere una maggiore precisione nella proprietà che vogliono misurare. I teorici hanno proposto di utilizzare lo squeezing nelle misure già negli anni ’80. Da allora, i fisici sperimentali hanno sviluppato le idee; nell’ultimo decennio e mezzo, i risultati sono maturati da prototipi da tavolo a dispositivi pratici. Ora si tratta di capire quali applicazioni ne trarranno vantaggio. “Stiamo solo capendo quale potrebbe essere la tecnologia”, dice Kasevich. “Poi speriamo che la nostra immaginazione cresca e ci aiuti a capire a cosa possa servire davvero”.
LIGO sta tracciando un percorso per rispondere a questa domanda, migliorando la capacità dei rivelatori di misurare distanze estremamente ridotte. L’osservatorio registra le onde gravitazionali con macchine a forma di L in grado di rilevare piccoli movimenti lungo i loro bracci lunghi quattro chilometri. In ogni macchina, i ricercatori dividono un raggio laser in due, inviandone uno lungo ciascun braccio per rifletterlo su una serie di specchi. In assenza di un’onda gravitazionale, le creste e le depressioni delle onde luminose costituenti dovrebbero annullarsi completamente quando i fasci vengono ricombinati. Ma quando passa un’onda gravitazionale, essa allunga e comprime alternativamente i bracci in modo che le onde luminose divise siano leggermente sfasate.
I segnali che ne derivano sono però sottili, tanto da rischiare di essere annegati dal vuoto quantistico, l’inamovibile rumore di fondo dell’universo, causato da particelle che entrano ed escono dall’esistenza. Il vuoto quantistico introduce uno sfarfallio di luce di fondo che entra nei bracci di LIGO, e questa luce spinge gli specchi, spostandoli sulla stessa scala delle onde gravitazionali che LIGO mira a rilevare.
Il team di Barsotti non può eliminare questo sfarfallio di fondo, ma la compressione quantistica permette di esercitare un controllo limitato su di esso. Per farlo, il team ha installato una cavità lunga 300 metri in ciascuno dei due rivelatori a L di LIGO. Utilizzando i laser, possono creare un vuoto quantistico ingegnerizzato, nel quale possono manipolare le condizioni per aumentare il livello di controllo sulla luminosità dello sfarfallio o sulla casualità con cui si verifica nel tempo. Rilevare le onde gravitazionali a più alta frequenza è più difficile quando il ritmo dello sfarfallio è più casuale, mentre le onde gravitazionali a più bassa frequenza vengono soffocate quando la luce di fondo è più intensa. Nel vuoto ingegnerizzato, le particelle rumorose continuano a comparire nelle loro misurazioni, ma in modi che non disturbano più di tanto la rilevazione delle onde gravitazionali”. È possibile [modificare] il vuoto manipolandolo in modo utile per noi”, spiega l’autrice.
L’innovazione è stata messa a punto da decenni: nel corso degli anni 2010, LIGO ha incorporato forme di compressione quantistica sempre più sofisticate, basate su idee teoriche sviluppate negli anni Ottanta. Con queste ultime innovazioni, installate l’anno scorso, la collaborazione prevede di rilevare le onde gravitazionali con una frequenza fino al 65% superiore rispetto al passato.
La compressione quantistica ha anche migliorato la precisione nella misurazione del tempo. Lavorando all’Università del Colorado Boulder con il fisico Jun Ye, un pioniere della tecnologia degli orologi atomici, Robinson e il suo team hanno realizzato un orologio che perderà o guadagnerà al massimo un secondo in 14 miliardi di anni. Questi orologi superprecisi ticchettano in modo leggermente diverso in campi gravitazionali diversi, il che potrebbe renderli utili per rilevare come la massa terrestre si ridistribuisce a seguito di attività sismiche o vulcaniche. Potrebbero anche essere utilizzati per rilevare alcune forme proposte di materia oscura, la sostanza ipotizzata che i fisici pensano permei l’universo, attirando gli oggetti con la sua gravità.
L’orologio sviluppato dal team di Robinson, un tipo chiamato orologio atomico ottico, utilizza 10.000 atomi di stronzio. Come tutti gli atomi, lo stronzio emette luce a specifiche frequenze di firma quando gli elettroni intorno al nucleo dell’atomo saltano tra diversi livelli energetici. Un numero fisso di creste e depressioni in una di queste onde luminose corrisponde a un secondo nel loro orologio. “Stai dicendo che l’atomo è perfetto”, dice Robinson. “L’atomo è il mio riferimento”. Il “ticchettio” di questa luce è molto più costante di quello del cristallo di quarzo vibrante di un orologio da polso, per esempio, che si espande e si contrae a temperature diverse per ticchettare a ritmi diversi.
In pratica, il ticchettio dell’orologio del team Robinson non deriva dalla luce emessa dagli elettroni, ma da come l’intero sistema si evolve nel tempo. I ricercatori hanno innanzitutto posto ogni atomo di stronzio in una “sovrapposizione” di due stati: uno in cui gli elettroni dell’atomo sono tutti ai loro livelli energetici più bassi e un altro in cui uno degli elettroni è in uno stato eccitato. Ciò significa che ogni atomo ha una certa probabilità di trovarsi in uno dei due stati, ma non è definitivamente in nessuno dei due, analogamente a come una moneta lanciata in aria ha una certa probabilità di essere testa o croce, ma non è nessuna delle due.
Poi misurano quanti atomi si trovano in ciascuno stato. L’atto della misurazione pone gli atomi definitivamente in uno stato o nell’altro, come se la moneta lanciata si posasse su una superficie. Prima di misurare gli atomi, anche se intendono ottenere una miscela 50-50, non possono stabilire con precisione quanti atomi finiranno in ciascuno stato. Questo perché, oltre al cambiamento del sistema nel tempo, c’è anche un’incertezza intrinseca nello stato dei singoli atomi. Il team di Robinson utilizza la compressione quantistica per determinare in modo più affidabile gli stati finali riducendo queste fluttuazioni intrinseche. In particolare, manipolano le incertezze nella direzione dello spin di ciascun atomo, una proprietà di molte particelle quantistiche che non ha una controparte classica. La compressione ha migliorato la precisione dell’orologio di un fattore 1,5.
Certo, le onde gravitazionali e gli orologi ultraprecisi sono applicazioni accademiche di nicchia. Ma c’è interesse nell’adattare l’approccio ad altri usi, potenzialmente più mainstream, come i computer quantistici, la navigazione e la microscopia.
L’aumento dell’uso della compressione quantistica fa parte di una più ampia tendenza tecnologica verso una maggiore precisione, che comprende l’inserimento di un maggior numero di transistor nei chip, lo studio delle particelle più elusive dell’universo e la misurazione del tempo fugace impiegato da un elettrone per lasciare una molecola. La compressione beneficia solo di misure così sottili che la casualità della meccanica quantistica apporta un rumore significativo. Ma si scopre che i fisici hanno più controllo di quanto pensino. Forse non sono in grado di eliminare l’aleatorietà, ma possono progettare dove essa si manifesta.
Foto di copertina: ricercatori installano un dispositivo di compressione quantistica in un rivelatore del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
LISA BARSOTTI
