Coppia fonone-fotone entangled con la vibrazione quantistica

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Un fenomeno quantistico controintuitivo: uno stato di vibrazione che esiste simultaneamente in due momenti diversi. Una caratteristica particolarmente controintuitiva della meccanica quantistica è che un singolo evento può esistere in uno stato di sovrapposizione, accadendo sia qui che là, o sia oggi che domani.

Una caratteristica particolarmente controintuitiva della meccanica quantistica è che un singolo evento può esistere in uno stato di sovrapposizione, accadendo sia qui che là, o sia oggi che domani.

Tali sovrapposizioni sono difficili da creare, poiché vengono distrutte se qualsiasi tipo di informazione sul luogo e l’ora dell’evento trapela nell’ambiente circostante, anche se nessuno registra effettivamente queste informazioni. Quando si verificano sovrapposizioni, portano a osservazioni molto diverse da quella della fisica classica, mettendo in discussione la nostra stessa comprensione dello spazio e del tempo.

Scienziati di EPFL, MIT e CEA Saclay, hanno dimostrato, in un articolo pubblicato su Science Advances, uno stato di vibrazione che esiste simultaneamente in due momenti diversi e dimostrano questa sovrapposizione quantistica misurando la classe più forte di correlazioni quantistiche tra i fasci di luce che interagiscono con la vibrazione.

I ricercatori hanno utilizzato un impulso laser molto breve per innescare uno specifico modello di vibrazione all’interno di un cristallo di diamante. Ogni coppia di atomi vicini oscillava come due masse collegate da una molla, e questa oscillazione era sincrona attraverso l’intera regione illuminata. Per risparmiare energia durante questo processo, viene emessa una luce di un nuovo colore, spostata verso il rosso dello spettro.

Un’illustrazione che rappresenta la “vibrazione comune” della luce e degli atomi descritta in questo studio. Credito: Christophe Galland (EPFL)
Un’illustrazione che rappresenta la “vibrazione comune” della luce e degli atomi descritta in questo studio. Credito: Christophe Galland (EPFL)

Questa immagine classica, tuttavia, non è coerente con gli esperimenti. Invece, sia la luce che la vibrazione dovrebbero essere descritte come particelle, o quanti: l’energia della luce è quantizzata in fotoni discreti mentre l’energia vibrazionale è quantizzata in fononi discreti (dal nome del greco antico “foto = luce” e “fono = suono”).

Il processo sopra descritto dovrebbe quindi essere visto come la fissione di un fotone in arrivo dal laser in una coppia di fotone e fonone, qualcosa di simile alla fissione nucleare di un atomo in due pezzi più piccoli.

Ma non è l’unico difetto della fisica classica. Nella meccanica quantistica, le particelle possono esistere in uno stato di sovrapposizione, come il famoso gatto Schrödinger che è vivo e morto allo stesso tempo.

Ancora più controintuitivo: due particelle possono rimanere impigliate, perdendo la loro individualità. Le uniche informazioni che possono essere raccolte su di loro riguardano le loro comuni correlazioni. Poiché entrambe le particelle sono descritte da uno stato comune (la funzione d’onda), queste correlazioni sono più forti di quanto è possibile nella fisica classica. Può essere dimostrato eseguendo misurazioni appropriate sulle due particelle. Se i risultati violano un limite classico, si può essere sicuri che siano rimaste impigliate.

1. Un laser genera un brevissimo impulso di luce 2. Una frazione di questo impulso viene inviata a un dispositivo non lineare per cambiarne il colore 3. I due impulsi laser si sovrappongono nuovamente sullo stesso percorso, creando una coppia di “scrittura e lettura” impulsi. 4. Ciascuna coppia è suddivisa in un percorso breve e uno lungo, 5. produce una fascia oraria “anticipata” e una “tardiva”, che si sovrappongono ancora una volta 6. All’interno del diamante, durante la fascia oraria “anticipata”, un fotone dalla L’impulso di “scrittura” può generare una vibrazione, mentre un fotone dell’impulso di “lettura” converte la vibrazione in luce. 7. La stessa sequenza può verificarsi anche durante lo slot “in ritardo”. Ma in questo esperimento, gli scienziati si sono assicurati che solo una vibrazione fosse eccitata in totale (in entrambe le fasce orarie iniziali e finali). 8. Sovrapponendo di nuovo i fotoni nel tempo diventa impossibile discriminare il momento iniziale e quello tardivo della vibrazione. La vibrazione è ora in una sovrapposizione quantistica del primo e del tardo tempo. 9. Nell’apparato di rilevamento, i fotoni di “scrittura” e di “lettura” vengono separati in base ai loro diversi colori e analizzati con contatori a fotone singolo per rivelarne l’entanglement. Credito: Santiago Tarrago Velez (EPFL)

Un fenomeno quantistico controintuitivo: uno stato di vibrazione che esiste simultaneamente in due momenti diversiNel nuovo studio, i ricercatori dell’EPFL sono riusciti a intrappolare il fotone e il fonone (cioè luce e vibrazione) prodotti nella fissione di un fotone laser in entrata all’interno del cristallo. Per fare ciò, gli scienziati hanno progettato un esperimento in cui la coppia fotone-fonone potrebbe essere creata in due istanti diversi. Classicamente, risulterebbe in una situazione in cui la coppia viene creata al tempo t1 con il 50% di probabilità, o in un secondo momento t2 con il 50% di probabilità.

Ma ecco che arriva il “trucco” giocato dai ricercatori per generare uno stato di entangled. Con una precisa disposizione dell’esperimento, hanno assicurato che nemmeno la più debole traccia del tempo di creazione della coppia luce-vibrazione (t1 vs t2) fosse rimasta nell’universo. In altre parole, hanno cancellato le informazioni su t1 e t2.

La meccanica quantistica predice quindi che la coppia fonone-fotone diventa entangled ed esiste in una sovrapposizione di tempo t1 e t2. Questa previsione è stata splendidamente confermata dalle misurazioni, che hanno prodotto risultati incompatibili con la teoria probabilistica classica.

Mostrando l’entanglement tra luce e vibrazione in un cristallo che si potrebbe tenere tra le dita durante l’esperimento, il nuovo studio crea un ponte tra la nostra esperienza quotidiana e l’affascinante regno della meccanica quantistica.

Le tecnologie quantistiche saranno la prossima rivoluzione tecnologica nel campo dell’informatica, della comunicazione e del rilevamento“, afferma Christophe Galland, capo del Laboratorio di Quantum and Nano-Optics all’EPFL e uno dei principali autori dello studio. “Sono attualmente in fase di sviluppo da parte delle migliori università e grandi aziende in tutto il mondo, ma la sfida è scoraggiante. Tali tecnologie si basano su effetti quantistici molto fragili che sopravvivono solo a temperature estremamente basse o sotto vuoto spinto. Il nostro studio dimostra che anche un materiale comune in condizioni ambientali può sostenere le delicate proprietà quantistiche richieste per le tecnologie quantistiche. C’è un prezzo da pagare, però: le correlazioni quantistiche sostenute dalle vibrazioni atomiche nel cristallo si perdono dopo soli 4 picosecondi, cioè 0,000000000004 di secondo! Questa breve scala temporale è, tuttavia, anche un’opportunità per sviluppare tecnologie quantistiche ultraveloci. Ma ci sono molte ricerche da fare per trasformare il nostro esperimento in un dispositivo utile, un lavoro per i futuri ingegneri quantistici“.

Riferimento: “Bell correlations between light and vibration at environment conditions” di Santiago Tarrago Velez, Vivishek Sudhir, Nicolas Sangouard e Christophe Galland, 18 dicembre 2020, Science Advances.
DOI: 10.1126 / sciadv.abb0260

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