“for ground-breaking
experimental methods that
enable measuring and
manipulation of individual
quantum systems”
Il Premio Nobel per la Fisica 2012 è stato assegnato ai due scienziati Serge Haroche e David J. Wineland per «metodi sperimentali rivoluzionari che consentono la misurazione e la manipolazione di singoli sistemi quantistici».
Perché i «singoli sistemi quantistici» sono così interessanti da portare all’assegnazione di un premio Nobel?
Se si apre qualsiasi libro di testo sulla fisica quantistica, si possono leggere frasi come: «supponiamo che un singolo atomo isolato interagisca con un singolo fotone, un quanto di radiazione…». Questo è un tipico Gedankenexperiment – esperimento pensato, comune nel procedere del pensiero scientifico fin dai tempi di Galileo Galilei. 
Gli «esperimenti pensati», come la visione semplificata di un singolo atomo o una piccola molecola che interagisce con un fotone, hanno contribuito allo sviluppo della teoria quantistica, anche se, nel 1952, Erwin Schrödinger ha sottolineato che «non abbiamo mai realizzato esperimenti con un solo elettrone o atomo o (piccola) molecola. Negli esperimenti pensati a volte si assume di farlo; questo comporta inevitabilmente conseguenze ridicole…».
[A sinistra: Serge Haroche (1944 – …) – Collège de France, Paris e Ecole Normale Supérieure, Paris, France]
D’altra parte, la maggior parte degli effetti squisitamente quantistici emerge solo in regime di singoli atomi e singoli fotoni. Verso la fine del XX secolo, anche grazie al progresso nella conoscenza della fisica atomica e all’avanzamento tecnologico, gli scienziati hanno reso possibile ciò che i padri della meccanica quantistica avevano pensato essere solo una mera, irrealistica semplificazione della realtà.
È all’interno di questo scenario che Haroche e Wineland hanno realizzato esperimenti fondamentali che coinvolgono, appunto, singole entità fisiche (atomi, ioni e fotoni).
I loro lavori sono, in un certo senso, complementari: Wineland studia con impulsi di luce lo stato di atomi e ioni confinati in una regione dello spazio, mentre Haroche impiega flussi di atomi per studiare lo stato di fotoni intrappolati in cavità.
Gli esperimenti a singolo atomo
Gli esperimenti a singolo atomo sono stati realizzati per la prima volta in trappole ioniche, in cui degli ioni, ovvero atomi a cui sono stati rimossi o aggiunti uno o più elettroni, possono essere intrappolati in una regione limitata dello spazio per mezzo di campi elettrici e magnetici. 
In queste trappole, gli ioni oscillano intorno alla posizione di equilibrio (come un’altalena) con un’ampiezza che dipende dalla loro energia cinetica.
[A destra: David J. Wineland (1944 – …) – National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, CO e University of Colorado, Boulder, CO, USA]
L’ampiezza delle oscillazioni, e quindi l’energia, può essere ridotta sfruttando il processo di raffreddamento a laser, o laser cooling, che diminuisce l’energia cinetica degli atomi, raffreddandoli fino a temperature prossime allo zero assoluto.
In questo modo si ottiene un vero e proprio oscillatore armonico descritto dalle leggi quantistiche, con i livelli energetici quantizzati. Wineland è stato un pioniere del laser cooling e nel, corso degli anni, ha ottimizzato il pieno controllo dello stato di atomi e ioni in cavità. Infatti, poiché gli ioni hanno anche livelli elettronici interni, è possibile farli interagire con il loro moto oscillatorio grazie a impulsi laser adeguati.
Sotto opportune approssimazioni, il sistema risultante può essere visto come un sistema a due livelli (lo ione) accoppiato con un oscillatore armonico (la loro vibrazione quantizzata).
Il modello matematico che descrive questo sistema è molto semplice (Hamiltoniana di Jaynes-Cummings), ma di fondamentale importanza per studiare gli effetti quantistici.
La seconda classe di esperimenti volti a indagare la Natura al livello della singola entità appartiene all’ambito dell’elettrodinamica quantistica in cavità, ovvero un sotto-campo dell’ottica quantistica che è emerso negli anni Settanta del secolo scorso.
Questo tipo di esperimenti è in qualche modo il duale delle trappole di ioni, poiché i ruoli della materia e della radiazione (corrispondente all’oscillatore armonico quantistico delle trappole ioniche) sono scambiati: ora è la luce, descritta sempre come un oscillatore armonico, ad essere confinata in una piccola regione. I fotoni nel dominio delle microonde vengono, infatti, «intrappolati» in una cavità con pareti molto riflettenti, mentre gli atomi sono inviati, uno ad uno, attraverso la cavità per interagire con essi. Gli atomi che lasciano la cavità vengono rivelati, e il segnale atomico è utilizzato per ottenere informazioni sull’evoluzione campo nella cavità stessa. Anche in questo caso, l’intero sistema è descritto dal modello di Jaynes-Cummings.
Sorprendentemente, in entrambi i sistemi menzionati, l’evoluzione è completamente analitica e la dinamica risultante corrisponde a uno scambio coerente di quanti tra il campo di radiazione e il singolo atomo (o ione). L’evoluzione del sistema è quindi così semplice da permettere alle leggi quantistiche di manifestarsi senza complicazioni inessenziali.
Dal punto di vista sperimentale, ciò che è stato realizzato dai due nuovi Premi Nobel è estremamente impegnativo e ha richiesto lo sviluppo di nuovi metodi e tecnologie.
Per esempio, al fine di eseguire esperimenti con atomi e cavità, insieme a un flusso di atomi preparati in stati altamente eccitati (atomi di Rydberg), occorrono anche cavità con specchi superconduttori a elevatissima riflettività (nelle ultime cavità utilizzate negli esperimenti Haroche, un singolo fotone riesce a rimbalzare 1.2 miliardi di volte sugli specchi viaggiando per più di 34.000 chilometri prima che la sua ampiezza, ovvero la sua probabilità di sopravvivenza, diminuisca di circa un terzo).
D’altra parte, gli esperimenti basati sugli ioni intrappolati richiedono non solo la cattura e il raffreddamento degli ioni, ma anche la loro manipolazione mediante impulsi laser atti a controllare sia la loro evoluzione interna (livelli elettronici) sia la loro posizione con risoluzione micrometrica.
Le possibili applicazioni tecnologiche
Oltre alle loro implicazioni fisiche, i lavori di Haroche e Wineland rappresentano anche un vero avanzamento dal punto di vista tecnologico.
Da un lato, la tecnologia coinvolta in questo tipo di esperimenti ha avuto e avrà applicazione nella nostra vita quotidiana. Per esempio, le misure effettuate negli esperimenti in cavità sono molto simili a quelle impiegate negli orologi atomici per la misurazione del tempo, e la misura accurata del tempo è alla base dei nostri sistemi di posizionamento come il GPS. La grande capacità di controllo dei sistemi fisici raggiunta dal gruppo di Wineland ha portato allo sviluppo di un orologio atomico due ordini di grandezza più preciso rispetto a quelli tradizionali al Cesio che sono attualmente impiegati come standard di tempo.
D’altra parte, uno degli obiettivi a lungo termine della ricerca su singoli atomi e singoli fotoni è la realizzazione pratica dei processi necessari per elaborare l’informazione quantistica contenuta nei sistemi quantistici elementari. In particolare, usando le cavità superconduttrici a microonde, il gruppo di Haroche ha realizzato stati di sovrapposizione (esempi di «gatti di Schrödinger») che sono un passo necessario verso la realizzazione di computer quantistici che sfruttano le leggi della meccanica quantistica per affrontare problemi al più inaccessibili ai computer classici più potenti.
Il lettore più esperto, con una certa conoscenza della fisica quantistica, troverà una descrizione più approfondita di quanto realizzato dai due Premi Nobel in Exploring the Quantum di S. Harohe e J.M. Raimond (Oxford University Press Inc., New York).
Maria Bondani* e Stefano Olivares**
(* Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, CNR and CNISM UdR Como, Italy)
(** Università degli Studi di Milano and CNISM UdR Milano-Statale, Italy)
© Pubblicato sul n° 47 di Emmeciquadro
