Dalla polvere di vetro al computer quantistico

Una nanosfera sospesa nella luce si “intreccia” con un campo ottico
I ricercatori Unifi, CNR-INO, INFN e LENS hanno osservato l’entanglement stazionario tra il moto di una particella levitante e la luce che si propaga da una cavità ottica, a temperatura ambiente.

L’entanglement è uno dei fenomeni più caratteristici della meccanica quantistica: due o più particelle si collegano in modo tale che misurando lo stato di una si determina istantaneamente lo stato dell’altra, anche se si trovano a grandissima distanza, sfidando le leggi della fisica classica.

Generare questo tipo di legame tra la luce e il movimento di un oggetto materiale è da tempo uno degli obiettivi della ricerca fisica, in particolare nel campo noto come optomeccanica quantistica. Ed è verso questo traguardo che si inserisce la ricerca degli scienziati del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Firenze e dell’Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO), con il sostegno dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e del Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (LENS). Il team è riuscito a dimostrare l’osservazione di un entanglement stazionario tra il movimento di una nanosfera di vetro e la luce trasmessa da una cavità ottica.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Science in un articolo (doi: 10.1126/science.aeh1375) che vede come corresponding author Francesco Marin, docente Unifi di Fisica sperimentale della materia, e come ulteriori autori Quentin Deplano (Unifi), Antonio Pontin (CNR-INO) e Francesco Marino (CNR-INO).
Nell’esperimento, una sfera di vetro di circa 100 nanometri di diametro viene mantenuta sospesa nel vuoto mediante una pinzetta ottica (un fascio laser fortemente focalizzato), e posta all’interno di una cavità ottica formata da una coppia di specchi, mantenuta a temperatura ambiente. Due diversi laser svolgono ruoli complementari: uno raffredda e stabilizza il moto della particella, mentre l’altro genera le correlazioni quantistiche responsabili dell’entanglement.

“L’aspetto più rilevante è che le correlazioni non rimangono confinate nella cavità: vengono trasferite alla luce che ne esce e si propaga nello spazio. In questo modo il moto della nanosfera, un sistema quantistico localizzato, viene collegato a un campo luminoso che può trasportare informazione verso un altro luogo” afferma Marin.
La prova dell’avvenuto entanglement giunge dall’analisi del parametro di separabilità. Mentre per correlazioni classiche questo valore non può scendere sotto la soglia dell’unità, nell’esperimento è sceso fino a un valore minimo di 0,918 ± 0,029, confermando la natura quantistica del legame. Il fenomeno ha mostrato, inoltre, una notevole stabilità su una banda di frequenza superiore a 40 kilohertz.

“Un altro elemento importante della ricerca – spiega il docente Unifi – è che l’esperimento funziona in regime stazionario e a temperatura ambiente, senza richiedere complesse condizioni criogeniche. Questo rende i sistemi optomeccanici levitati particolarmente promettenti per il trasferimento e l’immagazzinamento di stati quantistici”.

“Connettere un oggetto materiale stazionario con un campo luminoso ‘volante’ che viaggia nello spazio apre prospettive rivoluzionarie – aggiunge Deplano –.  Il moto della nanosfera potrà fungere da memoria quantistica, capace di immagazzinare l’informazione trasportata dalla luce per poi rilasciarla nei futuri computer e nelle reti quantistiche”.
“Oltre alle ricadute tecnologiche – conclude – la capacità di controllare stati quantistici in oggetti massicci a temperatura ambiente permette di esplorare la sottile linea di confine tra il microcosmo quantistico e il mondo macroscopico, spingendosi fino a futuri test sulla gravità quantistica”.

La ricerca è stata finanziata da fondi PNRR, tramite i progetti National Quantum Science and Technology Institute (Unifi) e Integrated Infrastructure Initiative in Photonic and Quantum Sciences (CNR-INO).

Comunicato a cura dell’Università di Firenze