C’è un mondo a noi completamente inaccessibile, che i fisici hanno iniziato a immaginare quasi un secolo fa, ma che difficilmente potevano rappresentare o vedere con i propri occhi: il mondo della meccanica quantistica. A Serge Haroche e David J. Wineland va il merito di essere riusciti a “entrare” in questo mondo, avendo sviluppato «metodi sperimentali rivoluzionari per la misurazione e la manipolazione delle singole particelle, senza distruggere la loro natura quanto-meccanica, in un modo che prima di allora era ritenuto irraggiungibile». Questa la motivazione con cui oggi la Royal Swedish Academy of Sciences , ha deciso di conferirgli il Premio Nobel per la Fisica per il 2012. La scoperta è talmente importante da meritarsi un Premio Nobel perché apre le porte a una nuova era di sperimentazione della fisica quantistica, in cui è possibile osservare singole particelle senza distruggerle. Ma non solo, anche di esaminarle, controllarle e contarle.
«Quando parliamo di singole particelle di luce o materia, le regole della fisica classica cessano di esistere, ed entriamo nel campo della fisica quantistica» si legge sul comunicato stampa della Royal Swedish Academy of Sciences. «Queste stesse particelle non possono essere facilmente isolate dall’ambiente che le circonda e perdono le loro caratteristiche quantiche appena interagiscono con il mondo esterno: si distruggono». Per questo motivo molti fenomeni previsti dalla fisica quantistica non potevano essere osservati direttamente dai ricercatori.
Attraverso i metodi sviluppati in laboratorio, con i propri gruppi di ricerca, i due premi Nobel, che si occupano entrambi di ottica quantistica (studia l’interazione fondamentale tra luce e materia), sono riusciti a misurare e controllare molti stati quantici, fino a poco prima ritenuti inaccessibili all’osservazione diretta. E ci sono arrivati con metodi simili ma al tempo stesso opposti. David Wineland, a Boulder, in Colorado usando atomi carichi elettricamente, o ioni, conservati all’interno di una trappola, che vengono controllati e misurati attraverso la luce o i fotoni. Mentre Serge Haroche, a Parigi, al contrario usa gli atomi, per controllare e misurare fotoni o particelle di luce intrappolati.
Riuscire a immaginare come una simile scoperta possa influenzare le nostre vite è difficile, eppure questi lavori gettano le basi per la costruzione di un super computer veloce basato proprio sulla fisica quantistica, che cambierebbe enormemente la nostra vita quotidiana. «Nei computer classici che usiamo oggi, la più piccola unità di informazione è il bit, che assume il valore di 1 o 0. nel computer quantistico invece, l’unità di base di informazioni – un bit quantistico o qubit – può essere 1 e 0 allo stesso tempo. Due bit quantistici possono contemporaneamente assumere quattro valori – 00, 01, 10 e 11 – e ogni qubit aggiuntivo raddoppia la quantità di stati possibili. Per n bit quantistico ci sono 2^n stati possibili, e un computer quantistico di soli 300 qubit potrebbe contenere 2^300 valori simultaneamente, più del numero di atomi presenti nell’universo».
Certo per ora il computer quantico rimane solo un sogno, nonostante il gruppo di Wineland abbia già raggiunto i primi risultati, eseguendo un’operazione quantistica con due qubit. Ma intanto bisogna riuscire a lavorare con più di due qubit, e poi sarà necessario isolarli dal mondo esterno, per non fargli perdere le loro proprietà e allo stesso tempo dovranno comunicare con esso per trasmettere le informazioni. Insomma la sfida è appena aperta.
In più David Wineland e il suo team di ricerca sono riusciti a costruire un orologio, cento volte più preciso di quelli costruiti con il cesio, attualmente lo standard per la misurazione del tempo. La differenza fra i due, è che gli orologi al cesio lavorano nel campo delle microonde, mentre l’orologio di ioni di Wineland, utilizza la luce visibile. Un orologio ottico appunto, che permette non solo una misura più precisa del tempo, ma anche di osservare alcuni fenomeni meravigliosi e fini della natura, come i cambiamenti nel flusso del tempo, le variazioni minime di gravità, e il tessuto dello spazio-tempo.