Riassunto:
Nel ping pong o nel calcio, la sfera rotante ad alta velocità "loop ball" disegnerà una traiettoria curva a causa delle differenze nel flusso d'aria. Questo classico fenomeno della fisica è chiamato effetto Magnus. Recentemente, un gruppo di ricerca internazionale guidato da scienziati dell’Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera ha pubblicato un articolo sulla rivista accademica Physical Review Letters, annunciando che per la prima volta il corrispondente “effetto Magnus ottico” è stato osservato direttamente utilizzando laser e singoli ioni su scala estremamente microscopica.
Questo fenomeno rivela che esiste un minuscolo spostamento laterale di centinaia di nanometri nel punto di forte interazione tra il laser altamente focalizzato e il qubit. Questa scoperta ha un importante valore scientifico per migliorare la precisione del controllo dei computer quantistici con trappola ionica.
Normalmente, si ritiene intuitivamente che l'intensità della luce sia più forte al centro del raggio laser e che anche l'interazione con gli atomi dovrebbe essere più intensa al centro del raggio. Tuttavia, quando la luce laser viene focalizzata in modo estremamente stretto, la struttura del suo campo elettromagnetico spaziale subisce un complesso rimodellamento microscopico. Alcuni anni fa i fisici teorici dell’Università di Amsterdam avevano previsto che questo cambiamento nel campo delle onde luminose avrebbe fatto sì che il punto di interazione più forte tra il laser e gli atomi non cadesse al centro del punto luminoso, ma leggermente di lato, il che a livello ottico si manifesta come effetto Magnus.
Per catturare questo fenomeno fisico estremamente debole nell'esperimento, il team di ricerca ha utilizzato campi elettromagnetici per immobilizzare singoli ioni di calcio in una trappola ionica in una camera ad altissimo vuoto. Nell’informatica quantistica, gli ioni intrappolati vengono spesso utilizzati come qubit per eseguire calcoli e gli impulsi laser finemente sintonizzati sono lo strumento centrale per modificare i loro stati quantistici. Durante l'esperimento, i ricercatori hanno spostato un raggio laser altamente focalizzato rispetto agli ioni di calcio e hanno misurato con precisione l'intensità dell'interazione tra gli ioni e il campo luminoso a diverse coordinate spaziali. Utilizzando gli ioni calcio come sonda microscopica, hanno misurato con successo un minuscolo spostamento laterale di sole poche centinaia di nanometri.
L'esperimento ha anche rivelato una proprietà fisica inaspettata: l'esatta entità di questo spostamento laterale dipende solo dalla lunghezza d'onda del laser utilizzato, non dalla precisione con cui viene focalizzato il raggio laser. Per i computer quantistici con trappola ionica che si affidano a raggi laser precisi per indirizzare singoli qubit e controllare le porte logiche quantistiche, se lo spostamento “eccentrico” di centinaia di nanometri viene ignorato nell’algoritmo e nell’allineamento ottico, il laser potrebbe non agire accuratamente sul bersaglio previsto, introducendo così errori sistematici nelle operazioni quantistiche continue ad alta precisione.
Philip Leindecker, il primo autore dello studio e ricercatore presso il Dipartimento di Fisica e l'Istituto Paul Scherr dell'ETH di Zurigo, ha anche sottolineato che questo effetto non è solo un'interferenza negativa, ma si prevede che la forza elettromagnetica microscopica che genera venga utilizzata anche come un nuovo meccanismo fisico per aiutare a ottenere un accoppiamento controllato tra qubit adiacenti, fornendo così nuovi modi sperimentali per eseguire operazioni logiche quantistiche più complesse. Questo risultato non solo ha verificato ipotesi teoriche di lunga data a livello dell’ottica quantistica di base, ma ha anche stabilito un importante punto di riferimento dei parametri per la calibrazione del sistema ottico dell’hardware quantistico con trappola ionica altamente tollerante ai guasti di prossima generazione.
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