Il mondo microscopico alla scala dei singoli atomi o a una scala ancora più piccola è regolato dalle leggi della meccanica quantistica, che sono alquanto diverse da quelle a cui siamo abituati. Un atomo non ha bisogno di superare un ostacolo, può passarci attraverso come un fantasma attraverserebbe una parete. L'atomo può perfino decidere di starsene contemporaneamente da entrambi i lati della parete, in uno stato detto di “sovrapposizione”. Una “azione fantasma” è anche come Einstein definì l'entanglement quantistico, la proprietà per cui due particelle quantistiche si muovono perfettamente all'unisono, indipendentemente dalla distanza che le separa.
Questi effetti quantistici, lungi dall'essere semplici rompicapi accademici o il contorno di storie di fantascienza, possono svolgere un ruolo decisivo nello sviluppo di nuove tecnologie. Molti dispositivi di uso quotidiano infatti, come il microscopio a effetto tunnel e il laser, utilizzano intrinsecamente la meccanica quantistica. Senza di essi la moderna società tecnologica, con applicazioni che spaziano dalla nanoproduzione alla conservazione dei dati su dischi ottici fino alla chirurgia dell'occhio, sarebbero impensabili.
Questi dispositivi che conosciamo bene sfruttano le proprietà quantistiche collettive dei fasci di particelle quantistiche. Grazie a dei progressi sperimentali sorprendenti in questo ambito, oggi esistono dispositivi in cui le singole particelle quantistiche possono essere manipolate. Per esempio, possiamo intrappolare singoli atomi neutri in pinze di raggi laser; possiamo trasmettere singoli fotoni, i quanti di luce, attraverso guide d'onda nanometriche; possiamo conservare ioni in trappole elettrodinamiche; e nanocircuiti superconduttori possono determinare singoli eventi di effetto tunnel di portatori di carica elettrica. Possiamo manipolare queste particelle per condurle praticamente a qualsiasi stato quantistico desiderato. Questo nuovo livello di controllo apre prospettive allettanti per un'intera gamma di applicazioni innovative. Ma poiché le complessità dei dispositivi quantistici fanno sì che le applicazioni su larga scala siano ancora fuori portata, è fondamentale individuare scenari in cui i prototipi oggi a disposizione possano già fare la differenza. Questo è uno dei principali punti di interesse della ricerca teorica del nostro gruppo all'Università di Trento.
Un ambito di studio particolarmente promettente consiste nel trovare risposte a domande come queste: Come interagiscono tra loro grandi insiemi di atomi in un materiale o in un composto chimico? E in che modo le particelle elementari della natura come elettroni, quark e gluoni, si uniscono per formare i costituenti della materia? La semplicità delle equazioni microscopiche che governano questi sistemi è spesso ingannevole. In realtà sono estremamente difficili da risolvere, perché il principio di sovrapposizione della meccanica quantistica consente ai costituenti di essere in un numero esponenziale di stati quantistici contemporaneamente. Al momento nemmeno i migliori supercomputer al mondo riescono a prevedere il comportamento esatto che si potrebbe verificare quando molte particelle quantistiche si uniscono.
Tuttavia, avendo a disposizione dispositivi quantistici ben controllati, ora diventa possibile assemblare sistemi quantistici mediante un approccio bottom-up. In questo modo i ricercatori possono riprodurre un modello desiderato in condizioni di laboratorio controllate e studiarne il comportamento a livello dei singoli costituenti. In altre parole, un sistema quantistico - il computer quantistico ben controllato - viene utilizzato per simulare un altro sistema quantistico - il materiale, il composto chimico o il plasma di particelle elementari complesso. Negli anni scorsi, il nostro gruppo, avvalendosi di collaborazioni interdisciplinari ed internazionali, si è occupato dello sviluppo della base teorica di una serie di risultati sorprendenti, come la riproduzione di modelli di sistemi magnetici o piccoli esempi di elettrodinamica quantistica (la teoria che regola l'interazione di elettroni e positroni con il campo elettromagnetico). Le potenziali applicazioni di questo ambito di ricerca sono sterminate, e vanno dalle questioni fondamentali sulla natura alla produzione di materiali fino alla progettazione di farmaci.
Ma l'impatto potenziale dei nuovi dispositivi quantistici non si ferma qui. I cosiddetti “quantum annealers” potrebbero riuscire a risolvere difficili problemi di ottimizzazione classici arrivando alla soluzione grazie all'effetto tunnel. Le applicazioni possibili vanno dall'ottimizzazione dei mercati energetici alla previsione di transizioni conformazionali di biomolecole di grandi dimensioni. Un altro esempio è la nuova generazione di dispositivi di rilevamento basati su nuvole di atomi ultrafreddi o fotoni in nano guide d'onda. Queste tecnologie possono permettere la costruzione di sensori di una precisione mai raggiunta prima, per esempio per individuare minuscoli cambiamenti nei campi magnetici, di temperatura o dell'indice di rifrazione.
In questo momento stiamo assistendo a un progresso tecnologico e concettuale entusiasmante, ma rimangono aperte ancora molte sfide. Oltre ad individuare scenari ideali verso cui tendere nel prossimo futuro, i ricercatori del nostro gruppo indagano temi come: quali sono le risorse potenziali, come l’entanglement, che possono apportare un vantaggio quantistico rispetto alle macchine classiche? Come possiamo produrre e individuare queste risorse quantistiche in modo efficiente? Come possiamo preservare la natura quantistica del dispositivo quando ha raggiunto una scala maggiore, dove sappiamo che entrano in gioco le leggi classiche?
A livello quantistico un intero universo ci aspetta, con nuove regole, nuove sfide, ma anche nuove ed esaltanti possibilità.
Philipp Hauke è Professore associato al BEC Center CNR-INO e al Dipartimento di Fisica dell'Università di Trento e membro di Q@TN, un’iniziativa interistituzionale per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche. La sua attività di ricerca è finanziata dalla Provincia autonoma di Trento e dal Consiglio Europeo della Ricerca – European Research Council nell’ambito della Starting Grant StrEnQTh (Strong Entanglement in Quantum many-body Theory).
Ha ricevuto lo Young Scientist Prize in Atomic, Molecular and Optical Physics 2020 dalla International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) per il suo “straordinario contributo allo sviluppo di tecnologie quantistiche basate su sistemi atomici, molecolari e ottici.”
[Traduzione Paola Bonadiman]
Exploring the future of quantum technologies in Trento
Philipp Hauke has been awarded the Young Scientist Prize in Atomic, Molecular and Optical Physics 2020
by Philipp Hauke
The microscopic world at the scale of single atoms or below is governed by the laws of quantum mechanics, laws quite different from the ones we are used to. An atom does not need to walk over a barrier, it can tunnel right through it, just as a ghost walks through a wall. The atom can even decide to sit at both sides of the wall at the same time, in what one calls a superposition state. “Spooky” is also how Einstein called quantum entanglement, the property that two quantum particles can live in perfect unison, no matter how far apart they are.
Far from being only an academic play of thoughts or a backdrop to a science fiction story, such quantum effects can take a decisive role in the development of novel technologies. In fact, many every-day devices inherently exploit quantum mechanics, such as the scanning tunneling microscope or the laser. Without these, modern technological society would be unthinkable, with applications that range from nano-fabrication over data storage in optical discs to eye surgery.
These well-known devices exploit the collective quantum properties of beams of quantum particles. In the last few decades, these abilities have been taken a decisive step further: Devices now exist, where individual quantum particles can be manipulated. For example, single neutral atoms can be trapped in tweezers made of laser beams; single photons, the quanta of light, can be transmitted through nano-fabricated waveguides; charged ions can be stored in electrodynamical traps; and superconducting nano-circuits can resolve individual tunneling events of electronic charge carriers. These particles can be manipulated to bring them into practically any desired quantum state. This pristine level of control opens up tantalizing prospects for a whole range of novel applications. As the intricacies of quantum devices leave large-scale applications still out of reach, it is crucial to identify scenarios where the presently existing prototypes can already make a difference. This is one main focus point of the theoretical research in our group at the University of Trento.
One particularly promising target is to find an answer to questions such as: How do large ensembles of atoms interact with each other in a material or a chemical compound? And how do the elementary particles of nature such as electrons, quarks, and gluons come together to build the constituents of matter? The microscopic equations that govern such systems are often deceivingly simple. Yet, they are extremely hard to solve, because the quantum mechanical superposition principle allows the constituents to be in exponentially many quantum states at the same time. Currently, not even the best existing supercomputers can predict the exact behavior that emerges once many quantum particles come together.
Having well-controlled quantum devices at hand, however, it becomes now possible to assemble, from the bottom up, designer quantum systems. In this way, researchers can reproduce a target model under well-controlled laboratory conditions, and investigate its behavior on the level of individual constituents. In other words, one quantum system—the well-controlled quantum computer—is used to simulate another quantum system—the complicated material, chemical compound, or plasma of elementary particles. In past years our research group, in interdisciplinary and international collaborations, was responsible for developing the theory basis for a series of breakthrough results, such as the reproduction of magnetic model systems or small instances of quantum electrodynamics (the theory governing the interplay of electrons and positrons with the electromagnetic field). The potential for applications of this research is vast, ranging from fundamental questions about nature over material fabrication to medical drug design.
But the potential impact of new quantum devices does not stop here. So-called quantum annealers could become able to solve hard classical optimization problems by “tunneling” into the right solution. Possible applications range from optimizing energy markets to the prediction of conformational transitions of large biomolecules. Another example is a novel generation of sensing devices based on clouds of ultracold atoms or on photons in nano-fabricated waveguides. These may enable the construction of sensors of unprecedented precision, e.g., for the detection of minuscule changes of magnetic fields, temperature, or refractive index.
We are currently witnessing an exciting technological and conceptual progress, but still many challenges remain open. Besides identifying relevant near-future target scenarios, researchers in our group investigate questions such as: What are potential resources, such as entanglement, that grant a quantum advantage over classical machines? How can we generate and detect these quantum resources efficiently? And how can we preserve the quantum nature of the device once it reaches large scales, where we know that classical laws take over?
At the quantum level, a whole new world awaits, with new rules, new challenges, but also new and exciting possibilities.
Philipp Hauke is Associate Professor at the INO-CNR BEC Center and the Department of Physics of the University of Trento, and member of Q@TN, an interinstitutional initiative that aims at developing novel quantum technologies. His research is funded by the Autonomous Province of Trento and by the StrEnQTh Starting Grant (Strong Entanglement in Quantum many-body Theory) of the European Research Council.
He was awarded the Young Scientist Prize in Atomic, Molecular and Optical Physics 2020 by the International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) for his “outstanding contributions to the development of quantum technologies based on Atomic, Molecular and Optical systems”.