Il suono che salta: fisici osservano particelle sonore fare salti quantistici

Devo raccontarvi una cosa che è successa in un laboratorio di fisica. È più interessante di quanto sembri, ve lo garantisco (il gioco di parole è voluto).

Un gruppo di scienziati a Stanford ha fatto qualcosa che non era mai stato fatto prima: ha osservato singole particelle di suono compiere salti quantistici in tempo reale. Hanno letteralmente assistito al suono che si comporta in modi che avrebbero affascinato Einstein.

Cosa diavolo è un salto quantistico?

Il nome suona drammatico, ma la cosa è semplice. Un salto quantistico accade quando qualcosa di minuscolo — un atomo, un fotone, o apparently anche un fonone — passa da un livello energetico a un altro in modo istantaneo. Nessuna transizione graduale, nessun "fra un po' arrivo". Solo... 啪, improvvisamente sei a un diverso stato energetico.

Sappiamo dell'esistenza di questi salti fin dall'inizio del '900. Gli scienziati li avevano già visti in ioni intrappolati nel 1986 e in particelle di luce nel 2007. Ma il suono? Il suono si rifiutava ostinatamente di rivelare i suoi segreti quantistici. Fino ad ora.

Il trucco per acchiappare il suono

Ecco la questione: a livello quantistico, parliamo di "fononi". Sono essenzialmente le unità più piccole possibili del suono. Pensateli come gli atomi delle onde sonore. Un fonone rappresenta la vibrazione coordinata di un'intera serie di atomi che si muovono insieme in perfetta armonia.

Nel mondo di tutti i giorni, quando suonate una campana, il suono si attenua gradualmente. Sembra un processo fluido, come la sabbia che scorre in una clessidra. Ma se zoomate abbastanza, la fisica diventa strana. L'energia vibrazionale non diminuisce per niente in modo fluido — cambia in passi distinti e contabili.

Il team di Stanford, guidato dal fisico Amir Safavi-Naeini, ha costruito un minuscolo risonatore meccanico usando tecniche di fabbricazione su chip. E gli hanno dato una proprietà molto particolare: poteva continuare a vibrare per due millisecondi interi. Se ingrandiste il tutto a un diapason normale, continuerebbe a suonare per ore. È un tempo incredibilmente lungo nel mondo quantistico.

Quei due millisecondi di vibrazione hanno dato ai ricercatori giusto il tempo necessario per fare centinaia di misurazioni e realmente catturare il salto quantistico — il momento esatto in cui il suono è passato dallo stato energetico 1 allo stato energetico 0.

Il problema di misurare senza rompere (perché il quanto è fragile)

Ed ecco dove la cosa diventa davvero intelligente. Per osservare questi salti quantistici, devi misurare cosa sta succedendo senza distruggere completamente lo stato quantistico delicato che stai cercando di vedere. È come cercare di guardare una bolla di sapone senza farla scoppiare.

Il team ha risolto il problema accoppiando il loro minuscolo risonatore a qualcosa chiamato qubit superconduttore. Un qubit è fondamentalmente la versione quantistica del bit di un computer normale — può immagazzinare informazione quantistica. Ma in questo caso, l'hanno usato come rivelatore.

Il qubit controllava ripetutamente il risonatore durante i suoi due millisecondi di vita, ponendo una domanda semplice: "C'è un fonone lì oppure no?" Ripetendo questa domanda un sacco di volte, potevano individuare esattamente quando era avvenuto il salto quantistico.

Il ricercatore principale Takuma Makihara l'ha detto bene: hanno dovuto sviluppare processi nuovi per creare questo oggetto vibrante a lunga durata e poi collegarlo al loro minuscolo rilevatore elettrico senza rovinare nessuno dei due. Questa è essenzialmente l'ingegneria quantistica in pillole — tenere in funzione cose incredibilmente delicate mentre le manipoli.

Perché dovrebbe interessarvi?

Quindi possiamo guardare il suono fare cose quantistiche. Niente di che, giusto?

In realtà, è una cosa piuttosto enorme. Ecco perché.

Il calcolo quantistico ottiene un nuovo strumento

I computer quantistici hanno il potenziale di risolvere problemi che richiederebbero ai computer normali più tempo dell'età dell'universo. Ma c'è un problema: gli stati quantistici sono incredibilmente fragili. Possono dissolversi prima che il vostro calcolo finisca, introducendo errori.

Ecco il punto: in molte configurazioni di calcolo quantistico, un salto quantistico può in realtà segnalare che sta avvenendo un errore. Se possiamo rilevare questi salti nei sistemi basati sul suono, potremmo avere un nuovo modo potente per catturare e correggere errori quantistici prima che rovinino i nostri calcoli.

Rilevare cose che al momento non possiamo

Il team di Stanford sta già collaborando con ricercatori del Caltech per esplorare se questa tecnologia potrebbe rilevare e identificare proteine all'interno di cellule vive. Pensate a cosa significa: potremmo guardare a un futuro dove sensori acustici quantomeccanici potrebbero identificare malattie prima ancora che appaiano i sintomi.

Controllo migliore del suono per tutto

Ecco qualcosa di più immediato: un controllo migliore delle vibrazioni potrebbe migliorare la tecnologia audio nei vostri smartphone e altri dispositivi. Gli stessi principi applicati qui potrebbero portare a tecnologie acustiche più raffinate nei gadget che usiamo ogni giorno.

Il quadro più ampio

Ciò che colpisce davvero di questa ricerca è ciò che rappresenta. Non stiamo semplicemente spuntando un'altra casella nella lista "osserva fenomeno quantistico". Stiamo costruendo tecnologie che potrebbero genuinamente trasformare il nostro mondo.

Safavi-Naeini l'ha detto bene: "Abbiamo visto che oggetti vibranti possono esibire comportamento quantistico, che è il prerequisito per molte delle operazioni necessarie nel calcolo quantistico e nel rilevamento."

Traduzione: abbiamo dimostrato che le regole strane che governano le particelle minuscole si applicano anche a oggetti quotidiani come membrane vibranti. È un enorme balzo concettuale, e apre porte che non sapevamo nemmeno esistessero.

Questa ricerca è ancora a uno stadio iniziale. Probabilmente siamo anni lontani dalle tecnologie pratiche del suono quantistico. Ma ogni svolta parte da qualche parte, e guardare il suono compiere salti quantistici è un "qualche parte" piuttosto notevole.

La prossima volta che sentite suonare una campana o vibrare il telefono, ricordate: al livello più profondo della realtà, quei suoni sono fatti di minuscole particelle che saltano tra stati in modi che stiamo solo ora iniziando a capire. La fisica è pazzesca, e onestamente? Adoro vivere in un'epoca in cui stiamo ancora scoprendo cose fondamentalmente nuove su come funziona l'universo.