Negli ultimi decenni, gli orologi atomici hanno rappresentato una delle massime espressioni di precisione nella misurazione del tempo. Tuttavia, un gruppo di fisici dell’Università del Colorado Boulder e del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha recentemente compiuto un balzo rivoluzionario in questo campo, sviluppando un nuovo orologio atomico che sfrutta una tecnica di avanguardia: l’entanglement quantistico. Questa innovazione potrebbe ridefinire completamente il concetto di precisione temporale, aprendo le porte a nuovi usi nella fisica quantistica, nella geofisica e in altre discipline scientifiche di punta.
L’orologio che supera i limiti della fisica quantistica tradizionale
Il cuore della nuova tecnologia si basa sull’entanglement, un fenomeno quantistico che permette di correlare le proprietà di particelle anche a grandi distanze. Questo effetto, sfruttato dagli scienziati per legare insieme gli atomi di stronzio utilizzati nel nuovo orologio, consente di aumentare drasticamente la precisione nella misurazione del tempo. Lo studio pubblicato su Nature ha messo in luce come, grazie all’entanglement, sia stato possibile superare il cosiddetto “limite quantico standard“, un traguardo che Adam Kaufman, fisico e coautore dello studio, ha definito come il “Santo Graal” degli orologi ottici atomici.
Ma come funziona esattamente questa nuova meraviglia della scienza? Il nuovo orologio è composto da decine di atomi di stronzio, intrappolati in un reticolo ottico grazie a un insieme di laser che controllano le loro interazioni. In condizioni normali, gli orologi atomici tradizionali sfruttano il comportamento degli atomi per dividere il tempo in unità sempre più piccole, ma la precisione di tali dispositivi è limitata dalle incertezze quantistiche intrinseche. L’entanglement quantistico, al contrario, permette di ridurre queste incertezze, come spiegato da Kaufman: “Siamo in grado di dividere la stessa durata di tempo in unità sempre più piccole“, afferma il fisico, sottolineando che “questa nuova capacità potrebbe permetterci di tracciare il tempo in modo più preciso”.
Gli atomi entangled: una nuova era nella misurazione del tempo
Il funzionamento dell’orologio si basa su un sofisticato processo che include il raffreddamento degli atomi a temperature vicine allo zero assoluto e il bombardamento di questi atomi con impulsi laser. Questa manipolazione porta gli elettroni a saltare tra livelli energetici in modo periodico, replicando il movimento di un pendolo in un orologio tradizionale. La differenza principale è che gli orologi ottici, come quello sviluppato dal gruppo di ricerca, sono in grado di operare con una precisione tale da rilevare anche i minimi cambiamenti di gravità terrestre, semplicemente spostandosi di pochi millimetri.
Questi orologi, infatti, potrebbero essere utilizzati come sensori per misurare variazioni gravitazionali minime, fornendo nuove informazioni sulla geofisica del pianeta. “Gli orologi ottici sono diventati una piattaforma importante in molte aree della fisica quantistica, perché consentono di controllare i singoli atomi a un livello così elevato“, ha commentato Kaufman, evidenziando il potenziale scientifico di questa tecnologia.
Le sfide della fisica quantistica
Se da un lato questa tecnologia apre a possibilità finora impensabili, dall’altro non mancano le sfide. “Le piccole particelle come gli atomi non si comportano mai esattamente come ci si aspetterebbe“, ha spiegato Kaufman, ricordando come le incertezze quantistiche siano un ostacolo intrinseco alla fisica atomica. Tuttavia, il fenomeno dell’entanglement potrebbe rappresentare la chiave per aggirare tali limitazioni. Quando due particelle sono entangled, il comportamento di una rivela automaticamente informazioni sull’altra, riducendo di fatto l’imprevedibilità del sistema. Kaufman ha descritto questo fenomeno con un’immagine efficace: “Gli atomi entangled si comportano meno come individui e più come un singolo atomo“, semplificando così il controllo sul loro comportamento.
Gli scienziati sono riusciti a creare legami quantistici tra atomi di stronzio manipolando i loro elettroni, spingendoli a formare un’orbita descritta come “soffice“, il che consente interazioni più forti quando gli atomi si avvicinano tra loro. “Questa morbidezza significa che, se due atomi si avvicinano abbastanza, i loro elettroni possono interagire fortemente“, ha spiegato Kaufman, evidenziando come tali interazioni siano alla base del successo dell’orologio quantistico.
Il futuro dell’entanglement quantistico
Nel corso degli esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che gruppi di atomi entangled possono ticchettare a diverse velocità, riducendo in modo significativo l’incertezza nella misurazione del tempo. Utilizzando combinazioni di singoli atomi e gruppi entangled di due, quattro e otto atomi, il team è riuscito a migliorare la precisione rispetto agli orologi atomici ottici tradizionali. “Ciò significa che impieghiamo meno tempo per raggiungere lo stesso livello di precisione“, ha osservato Kaufman, aprendo nuove prospettive per applicazioni scientifiche avanzate.
Nonostante i successi, il nuovo orologio non è ancora perfetto. Attualmente, il dispositivo funziona correttamente solo per un periodo di circa 3 millisecondi, prima che l’entanglement inizi a degradarsi, rendendo il ticchettio degli atomi meno stabile. Tuttavia, il team di ricerca è fiducioso: “Possiamo creare nuovi tipi di orologi con proprietà personalizzate, grazie allo squisito controllo che abbiamo in questi sistemi“, ha affermato Kaufman. Questo tipo di controllo, reso possibile dall’entanglement, potrebbe portare a una nuova generazione di orologi atomici capaci di misurare il tempo con una precisione mai vista prima, con applicazioni che vanno dai computer quantistici alla navigazione spaziale.
Implicazioni future: dai computer quantistici alla geofisica
Le possibili applicazioni di questa tecnologia vanno ben oltre la semplice misurazione del tempo. I futuri orologi quantistici potrebbero trovare impiego in una vasta gamma di settori, come la geofisica, dove potrebbero essere utilizzati per monitorare le variazioni della gravità terrestre in tempo reale. Inoltre, potrebbero diventare strumenti fondamentali per lo sviluppo di computer quantistici, offrendo un livello di precisione senza precedenti nella sincronizzazione dei processi.
La scoperta rappresenta una pietra miliare non solo nella fisica quantistica, ma anche nel campo delle tecnologie avanzate, aprendo nuovi orizzonti per lo studio dell’universo e della materia a livello microscopico.
