Fisica quantistica: misurare gli atomi per trasferire loro energia

Immagina sistemi estremamente piccoli e comodamente installati in un ambiente in cui quasi nulla interagisce con loro: è un po’ come se fossero in isolamento a causa di una malattia che colpirebbe piccole particelle. In queste condizioni, questi sistemi possono iniziare a comportarsi in modo strano: possono sia lavorare che chattare con un amico, ad esempio. Quando il loro stato è distribuito in questo modo, si dice che si trovano in uno stato di sovrapposizione.

Se due atomi sono insieme in questo stato parzialmente distratto e, nonostante la loro reclusione, uno dei due loquaci atomi riceve una chiamata dal loro capo, allora dovranno improvvisamente smettere di chattare. Per l’atomo abbandonato le possibilità sono due: o riceve un segnale dall’amico che ha deciso di tornare a lavorare più seriamente o gli racconta tutto della sua conversazione, nel qual caso farà lo stesso; o il suo amico non gli dice più niente e può scegliere con una certa probabilità di tornare a lavorare da solo o di andare alla macchinetta del caffè a trovare altre persone con cui parlare. In ogni caso, dopo l’interazione di uno dei due atomi con la sua gerarchia, i due atomi non saranno più nel loro stato iniziale di sovrapposizione.

E allora? Ebbene, nel caso in cui il capo sia riuscito a rimotivare il primo atomo e anche il secondo, ricevendo queste informazioni, si sia rifocalizzato, la motivazione totale di questi due lavoratori è stata potenziata dalla loro interazione con questo elemento esterno e immutabile che è loro responsabile.

Ciò che è affascinante è che nella fisica quantistica, invece di questo improvviso aumento di motivazione, possiamo vedere un improvviso aumento di energia. Nota che l’energia non proviene da un serbatoio oscuro. Come il capo che a volte inizia la propria motivazione intervenendo con i suoi dipendenti, anche l’energia viene trasferita da un sistema all’altro.

Sfruttando questo fenomeno, trasferendo energia a un sistema quantistico misurandolo, stiamo indirizzando la nostra ricerca verso nuovi “motori quantistici”, che sarebbero in grado, ad esempio, di amplificare la luce di un laser.

Qual è l’energia di un sistema quantistico?

L’energia può assumere diverse forme: chimica come per le celle e le batterie, termica come quando si fa un bagno molto caldo, o per esempio cinetica quando si lancia una palla. Come due magneti, che devono essere sottoposti a energia per staccarsi, è anche possibile immagazzinare energia attraverso l’interazione tra due sistemi.

Per i sistemi quantistici, non è così diverso. Questo è normale, del resto, perché un sistema quantistico non è altro che un sistema come gli altri… ma così piccolo che il suo comportamento rivela i suoi diversi livelli di energia, si parla quindi di livello fondamentale quando l’energia è minima. Naturalmente, la fisica quantistica, per quanto contro-intuitiva, rispetta bene il principio di conservazione dell’energia. Se un atomo passa da un’energia elevata a un’energia inferiore, emette un fotone che compensa questa differenza di energia.

La misurazione quantistica è indiscreta

Finora abbiamo capito che i nostri atomi loquaci possono sicuramente avere più o meno energia e che sono sensibili ai disturbi, ma una domanda rimane: come è possibile trasferire energia a un sistema quantistico misurandola?

Per capirlo, dobbiamo ricordare che tutte le misurazioni richiedono interazione. Anche quando misuri la temperatura nella tua casa, è necessario che le molecole nell’aria circostante si schiantano nel termometro per far espandere il liquido in esso contenuto, e quindi i fotoni vengano riflessi da quel dispositivo di misurazione verso i tuoi occhi in modo da poter vedere cosa sta indicando. Quindi, se puoi leggere il risultato di una misurazione su scala microscopica, è perché questa misurazione è codificata su un sistema sufficientemente grande da obbedire alle regole della fisica classica.

I sistemi quantistici non fanno eccezione a questa regola.

La differenza, tuttavia, è che nella fisica quantistica il dispositivo di misurazione è più grande, non più piccolo, dell’oggetto da misurare. Pertanto, l’interazione tra il misuratore e il sistema non è più trascurabile. Tutto accade come se il capo dei nostri due atomi non potesse osservare lo stato di motivazione dei suoi dipendenti senza che se ne accorgessero. La privacy degli atomi è quindi ben preservata.

Come trasferire energia misurando?

In altre parole, la misurazione nella fisica quantistica agisce come un elemento di disturbo. A volte può quindi aumentare l’energia del nostro duo di atomi. Tuttavia, a seguito dell’intervento del loro capo, capita che la motivazione degli atomi (o della loro energia) diminuisca. Pertanto, questa interruzione, se diventa quotidiana, non genererà in media né guadagno né perdita di motivazione.

Non tutte le interazioni hanno gli stessi effetti e ci sono disturbi mediamente molto più utili. Immagina, ad esempio, che il capo si accorga che uno dei suoi dipendenti sta lavorando più velocemente dell’altro ma ha difficoltà a motivarsi. Quindi, anche se l’interazione tra loro fa lavorare meno tempo, poiché il miglior dipendente è più motivato, la quantità di lavoro svolto viene conservata durante questa interazione (come l’energia si conserva quando due atomi interagiscono). Pertanto, una volta motivato il lavoratore veloce, non resta che tagliare l’interazione tra i dipendenti per farli lavorare più a lungo e aumentare la quantità totale di lavoro.

Scegliendo un tipo di misura appropriato (una misura che non dice nulla sulla loro energia, o in termini di specialisti, che non commuta con l’Hamiltoniana del sistema degli atomi), in fisica quantistica è anche possibile trasferire l energia al sistemi misurati, anche in media.

Per comprendere meglio questo fenomeno, prendiamo due magneti uniti insieme. L’energia associata alla loro interazione è negativa perché l’energia dovrebbe essere spesa per separarli. Inoltre, poiché ogni magnete ha un peso, entrambi hanno energia potenziale. Per misurare il peso del secondo magnete, devi attaccare ad esso un dinamometro (il nostro strumento di misura, una sorta di bilancia su cui si attacca l’oggetto di cui vuoi conoscere il peso) e tirare la molla fino a quando il valore indicato non varia più. In queste condizioni, i magneti sono così distanti che l’interazione magnetica tra loro diventa trascurabile. È quindi possibile ruotare il primo magnete senza cambiarne l’energia. Ridepositando poi il secondo magnete vicino al primo, i loro poli identici saranno quindi faccia a faccia.

Nella fisica quantistica non c’è bisogno di rendere trascurabile l’interazione tra atomi, la misura stessa può modificare lo stato degli atomi, un po’ come se permettesse al primo magnete di ruotare direttamente.

La misurazione come fonte di energia, o “motori quantistici”

Utilizzando questo tipo di meccanismo, stanno quindi lavorando all’Institut Néel di Grenoble per immaginare dei “motori quantistici” in cui non ci sarebbero bisogno di “bagni termali”, cioè serbatoi di energia calda e fredda, ma semplicemente per misurare lo stato del sistema per poter poi estrarre più energia da esso.

Attenzione, questi motori non dovrebbero essere visti come la tecnologia del futuro per le nostre auto elettriche e telefoni cellulari. È semplicemente un trasferimento di energia dal dispositivo di misurazione a un sistema quantistico: il dispositivo di misurazione è così grande che l’energia che perde è molto piccola rispetto alla sua energia totale.

L’interesse di questi “motori quantistici” è duplice. Da un lato, risiede nella loro capacità di modificare l’energia dei sistemi quantistici, ad esempio per amplificare la luce di un laser. D’altra parte, consentono lo studio del processo di misurazione quantistica, che resta ancora una delle grandi aree grigie per i fisici, perché misurando un sistema quantistico si seleziona uno stato particolare, ma al momento non c’è consenso su l’equazione che permette di descrivere questa evoluzione. Una migliore comprensione di questi fenomeni fondamentali è essenziale per impostare e ottimizzare il consumo energetico dei processori quantistici, gli elementi costitutivi essenziali dei computer quantistici.