La fisica quantistica e il problema del bravo cameriere. Una ricerca di Oliver Morsch (INO-CNR)

Ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) dell’Università e del Nest della Scuola Normale ha sviluppato delle tecniche per rendere più efficiente e veloce il controllo di sistemi che possono essere studiati con la fisica quantistica.
«Un cameriere che deve portare un vassoio di bicchieri al tavolo di un cliente - spiega Oliver Morsch, primo ricercatore dell’Ino-Cnr e autore del lavoro - ha due scopi: farlo il più presto possibile e senza versare le bibite. Similmente, nella fisica quantistica che descrive il comportamento della materia a livello dell’atomo o subatomico, spesso è necessario controllare lo stato di un oggetto in modo accurato e rapido».
Una tecnica utile in tal senso è ispirata proprio al problema del cameriere: «Una possibile strategia - prosegue Morsch - sarebbe portare il vassoio molto lentamente, tenendolo rigorosamente orizzontale in modo da non agitare le bibite, ma un bravo cameriere inclinerà il vassoio in maniera opportuna mentre cammina a passo sostenuto. Nel linguaggio della fisica quantistica, il primo approccio si chiama "adiabatico" e consiste nell’effettuare il controllo dell’oggetto molto lentamente. Il secondo, chiamato "superadiabatico", permette invece di accelerare il controllo in modo considerevole».
Realizzando tali protocolli in un sistema modello, composto da un gas di atomi molto freddi dentro dei cristalli artificiali prodotti con la luce laser, i ricercatori di Pisa hanno dimostrato da un lato che la strategia del "bravo cameriere" può essere applicata al mondo quantistico e dall’altro che essa non viene alterata da eventuali variazioni del percorso.
«Tale caratteristica è cruciale in applicazioni realistiche della fisica quantistica, visto che gli stati quantistici, cioè le rappresentazioni matematiche di un sistema quantistico come un atomo o una molecola, sono molto fragili e vengono facilmente perturbati da campi elettrici o magnetici presenti praticamente ovunque».
La scoperta potrebbe avere ricadute notevoli in vari rami della fisica: «Per esempio, nella risonanza magnetica - conclude Morsch - bisogna controllare la direzione in cui punta lo spin nucleare delle molecole, che serve a descrivere lo stato delle particelle che costituiscono il nucleo dell’atomo ed è paragonabile all’ago magnetico di una bussola. Nelle tecnologie informatiche del futuro, invece, tali spin potranno essere utilizzati per creare dei bits quantistici, detti "qubits", ovvero le unità d’informazione dei computer quantistici (mentre i bit sono le unità d’informazione dei computer classici), che permetteranno di fare calcoli complessi in tempi molto più rapidi di quelli raggiungibili con i computer di oggi».

High-fidelity quantum driving
Mark G. Bason (1), Matthieu Viteau (1), Nicola Malossi (2), Paul Huillery (1, 3), Ennio Arimondo (1, 2, 4), Donatella Ciampini (1, 2, 4), Rosario Fazio (5), Vittorio Giovannetti (5), Riccardo Mannella (4), Oliver Morsch (1)
1) INO-CNR, Pisa
2) CNISM UdR, Dipartimento di Fisica Enrico Fermi, Università di Pisa
3) Laboratoire Aimé Cotton, Univ. Paris-Sud 11
4) Dipartimento di Fisica Enrico Fermi, Università di Pisa
5) NEST, Scuola Normale Superiore, and Istituto di Nanoscienze—CNR
Nature Physics (Published online: 18 December 2011)
Abstract
Accurately controlling a quantum system is a fundamental requirement in quantum information processing and the coherent manipulation of molecular systems. The ultimate goal in quantum control is to prepare a desired state with the highest fidelity allowed by the available resources and the experimental constraints. Here we experimentally implement two optimal high-fidelity control protocols using a two-level quantum system comprising Bose–Einstein condensates in optical lattices. The first is a short-cut protocol that reaches the maximum quantum-transformation speed compatible with the Heisenberg uncertainty principle. In the opposite limit, we realize the recently proposed transitionless superadiabatic protocols in which the system follows the instantaneous adiabatic ground state nearly perfectly. We demonstrate that superadiabatic protocols are extremely robust against control parameter variations, making them useful for practical applications.