FISICA/ Dai gas di sodio ultrafreddi un passo avanti verso i computer quantistici

- int. Gabriele Ferrari

Uno degli obiettivi più ambiziosi dell’high tech è il cosiddetto computer quantistico, un miraggio sempre più vicino alla realtà. Il commento di GABRIELE FERRARI, fisico del Cnr

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Uno degli obiettivi più ambiziosi dell’high tech è il cosiddetto computer quantistico, che sembra sempre più perdere la qualifica di miraggio per avvicinarsi alla realtà. «Il computer quantistico – ci ha detto Gabriele Ferrari, fisico del Cnr e dell’Università di Trento – si presenta come un computer classico, nel quale le variabili di calcolo invece di assumere in modo esclusivo un valore binario (vero o falso), possono assumere valori intermedi. La variabile che nel caso classico assume due stati (vero, falso), nel caso quantistico diventa continua per esprimere il “peso” dello stato “vero” rispetto a quello “falso” e la relazione di fase fra i due stati. L’incremento di informazione della variabile quantistica rispetto alla variabile classica consente l’applicazione di nuovi tipi di algoritmi informatici molto più potenti rispetto a quelli impiegati attualmente». Ferrari precisa che a oggi non esistono computer quantistici funzionanti: a livello di prototipi si sta lavorando allo sviluppo di porte logiche, che sono i mattoni con i quali costruire i computer, ma rimangono numerosi problemi per arrivare a integrarle e quindi poter realizzare un computer quantistico.

I gas ultrafreddi di molecole polari permettono di risolvere alcuni di tali problemi. E proprio su questi gas un esperimento condotto da Ferrari – insieme a Giacomo Lamporesi del Cnr e con la collaborazione di due studenti del corso di laurea in fisica – ha raggiunto recentemente un risultato importante realizzando per la prima volta in Italia un condensato di Bose Einstein partendo da atomi di sodio. I fisici trentini non sono i primi in Italia a ottenere un condensato di questo tipo, ma sono i primi a realizzarlo con atomi di sodio, che ha caratteristiche particolarmente favorevoli come un’ottima capacità refrigerante e una stabilità chimica.

Il traguardo è stato tagliato nel laboratorio Gas Ultrafreddi che fa parte del centro BEC – Bose Einstein Condensation (Cnr e Università di Trento) e ha sede a Povo, nel Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento; è un risultato che si colloca in un settore di punta della ricerca: il campo dei gas ultrafreddi, che ha subito una forte accelerazione a partire dal 1995, quando la condensazione di Bose-Einstein in vapori atomici venne osservata per la prima volta. Gli sviluppi di temi legati a questo campo – come il raffreddamento laser di gas, l’ottica quantistica e la spettroscopia ad altissima risoluzione – negli ultimi anni hanno portato all’assegnazione di ben dieci premi Nobel.

Ma che cos’è e come si presenta il condensato di Bose-Einstein? «È una fase quantistica della materia e si distingue radicalmente dalle fasi “solida”, “liquida” e “gassosa” che tutti conosciamo. Nel nostro caso abbiamo prodotto questa fase a partire da vapori di sodio gassoso, allo stato atomico, che sono già di per sé trasparenti se osservati a occhio nudo. Cercando un’immagine quotidiana e vicina all’esperienza dei cittadini, potremmo dire che in laboratorio abbiamo sviluppato un particolare apparato refrigerante (una sorta di gelatiera) basato su tecniche di raffreddamento laser e intrappolamento magnetico per raffreddare i vapori atomici a temperature ultra basse».

Ferrari precisa ulteriormente come si è arrivati al goal. «Applicando tecniche di raffreddamento laser ed evaporativo, abbiamo raffreddato un gas di atomi di sodio fino a osservare la transizione di fase verso la condensazione di Bose-Einstein. In questa fase puramente quantistica la materia (il gas atomico) assume proprietà e comportamenti radicalmente diversi da quelli previsti in regime classico, analogamente alle differenze che distinguono la radiazione laser dalle sorgenti di luce tradizionali, o al caso dei superconduttori rispetto ai conduttori tradizionali di corrente elettrica».

L’importanza del risultato conseguito è notevole: «il condensato di Bose-Einstein di vapori atomici permette di studiare con grande accuratezza aspetti finora sfuggenti o controversi della meccanica quantistica. Allo stesso tempo rappresenta uno strumento fondamentale per il raffreddamento di ulteriori gas fino a temperature prossime allo zero assoluto, dell’ordine della decina di nano Kelvin (miliardesimi di grado)».

Ora nel laboratorio di Povo si prosegue nello studio di questi sistemi fisici estremamente interessanti sia dal punto di vista fondamentale sia applicativo. I gas ultrafreddi offrono infatti la possibilità di mimare il comportamento di materiali di grande rilevanza tecnologica: osservando il loro comportamento diventa possibile, per esempio, comprendere meglio le proprietà di semiconduttori e superconduttori, permettendo quindi di migliorare le prestazioni di una serie di dispositivi tecnologici. E sullo sfondo l’avverarsi delle promesse dei futuri computer quantistici.

 

(Michele Orioli)

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