Collaborazione di particelle elementari
Come possono due particelle ottenere ciò che una sola non può ottenere?
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Alcune cose sono più facili da realizzare se non si è soli. Come hanno dimostrato i ricercatori dell'Università di Rostock, in Germania, questa intuizione molto umana si applica anche ai mattoni più fondamentali della natura. La meccanica quantistica, infatti, postula che tutto sia composto da particelle elementari, che non possono essere suddivise in unità ancora più piccole. Questo ha spinto la dottoranda Vera Neef, prima autrice della recente pubblicazione "Pairing particles into holonomies", a chiedersi: "Cosa possono fare due particelle solo se lavorano in squadra? Possono realizzare insieme qualcosa che è impossibile per una sola particella?".
Marco Kirsch
Nel loro studio sperimentale, i ricercatori erano particolarmente interessati ai fotoni, le particelle fondamentali della luce. "I fotoni hanno questa strana proprietà. Due fotoni possono trovarsi esattamente nello stesso posto e nello stesso momento. Una cosa che non vediamo in molte altre particelle", spiega il dottor Tom Wolterink. Il Dr. Matthias Heinrich prosegue: "Usiamo un laser ad alta potenza per creare le cosiddette guide d'onda in un chip di vetro". Queste guide d'onda possono essere intese come un'autostrada per la luce. Come un'auto può facilmente cambiare corsia in autostrada, un fotone può saltare da una guida d'onda all'altra. In questo caso, la forma complessiva dell'autostrada della luce determina la direzione del fotone.
Immaginiamo un'autostrada a più corsie, dove ogni corsia porta a una destinazione diversa, e un'auto che trasporta un messaggio molto importante. Il Prof. Alexander Szameit, capo del dipartimento di ottica sperimentale a stato solido, spiega l'importanza del loro lavoro: "Per costruire un computer quantistico, dobbiamo essere in grado di controllare con estrema precisione dove vanno i fotoni". In altre parole, la scelta dell'uscita dell'auto figurativa dall'autostrada è di grande importanza. Eppure, anche piccoli errori possono facilmente costringere l'auto a sbagliare corsia. Il Prof. Alexander Szameit prosegue: "I fotoni sono piuttosto delicati. Anche la migliore ingegneria non può garantire che un fotone non finisca mai nella guida d'onda sbagliata".
"La nostra soluzione consiste nel codificare i dati non in un singolo fotone, ma in una coppia di fotoni - essenzialmente diffondendo il messaggio su due auto", spiega entusiasta Vera Neef. Mentre singolarmente entrambe le auto hanno ancora la possibilità di finire nella corsia sbagliata, se solo un'auto arriva a una certa destinazione, il messaggio è riconoscibile come corrotto e può essere rapidamente scartato. Questa strategia funziona bene perché la possibilità che entrambe le auto finiscano accidentalmente nella stessa corsia sbagliata è minima. Vera Neef commenta: "Sapendo questo, siamo rimasti molto sorpresi dalla stabilità del nostro dispositivo. Anche cambiando le sue proprietà del 10%, i risultati delle nostre misurazioni sono stati a malapena intaccati".
Pubblicata di recente sulla prestigiosa rivista Science Advances, questa ricerca estende il concetto matematico di olonomia dalle singole particelle alle coppie e persino a gruppi di particelle più grandi. Oltre a gettare le basi per i futuri computer quantistici, questa ricerca potrebbe anche ispirare una più profonda comprensione delle particelle fondamentali che compongono gli atomi.
Alcune cose sono davvero più facili da realizzare quando si lavora insieme, anche se si tratta di una squadra di fotoni.
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