Viaggio nel cuore della fisica quantistica: Realizzato il primo “colore” geometrico della luce!

Introduzione

Nel mon­do affa­sci­nan­te del­la fisi­ca quan­ti­sti­ca, acca­do­no cose stra­ne e mera­vi­glio­se. Una di que­ste è la cosid­det­ta olo­no­mia quan­ti­sti­ca, un feno­me­no che sve­la gli aspet­ti più pro­fon­da­men­te geo­me­tri­ci del­la teo­ria quan­ti­sti­ca. Imma­gi­na di gui­da­re un siste­ma quan­ti­sti­co attra­ver­so len­ti e gra­dua­li cam­bia­men­ti. Sor­pren­den­te­men­te, l’e­vo­lu­zio­ne del­lo sta­to del siste­ma non dipen­de solo da quan­to velo­ce­men­te cam­bia­no le cose (la “fase dina­mi­ca”), ma anche dal­la for­ma del per­cor­so che que­sti cam­bia­men­ti descri­vo­no in uno spa­zio astrat­to chia­ma­to spa­zio di Hil­bert. Que­sta dipen­den­za pura­men­te geo­me­tri­ca è la fir­ma del­l’o­lo­no­mia quantistica.

Que­ste “fasi geo­me­tri­che”, a dif­fe­ren­za del­le fasi dina­mi­che, non pos­so­no esse­re eli­mi­na­te con sem­pli­ci tra­sfor­ma­zio­ni (le cosid­det­te tra­sfor­ma­zio­ni di gau­ge) e agi­sco­no come indi­ca­to­ri misu­ra­bi­li del­le sim­me­trie fon­da­men­ta­li sot­to­stan­ti. Il più famo­so esem­pio è la fase di Ber­ry, asso­cia­ta al grup­po di sim­me­tria U(1), un tipo di olo­no­mia “Abe­lia­na”. Abe­lia­no signi­fi­ca, in que­sto con­te­sto, che l’ef­fet­to geo­me­tri­co è uno sca­la­re (un sin­go­lo nume­ro) e com­mu­ta (l’or­di­ne in cui si per­cor­re un per­cor­so non cam­bia il risul­ta­to fina­le). Le teo­rie di gau­ge Abe­lia­ne, come quel­la che descri­ve l’in­te­ra­zio­ne elet­tro­ma­gne­ti­ca, sono fon­da­men­ta­li in fisica.

Ma la natu­ra non è sem­pre così sem­pli­ce. Le inte­ra­zio­ni fon­da­men­ta­li, come l’in­te­ra­zio­ne for­te che tie­ne uni­ti pro­to­ni e neu­tro­ni nel nucleo, sono descrit­te da teo­rie di gau­ge non-Abe­lia­ne3. Que­ste sono asso­cia­te a grup­pi di sim­me­tria uni­ta­ri di dimen­sio­ni supe­rio­ri, come SU(2) (rile­van­te per l’i­so­spin debo­le e for­te) e, soprat­tut­to, SU(3) per l’in­te­ra­zio­ne for­te stes­sa (nota anche come cro­mo­di­na­mi­ca quan­ti­sti­ca, dove le “cari­che di colo­re” svol­go­no un ruo­lo ana­lo­go alla cari­ca elettrica).

Le olo­no­mie quan­ti­sti­che pos­so­no esse­re sca­la­ri (Abe­lia­ne) o matri­ci (non-Abe­lia­ne), a secon­da del nume­ro di gra­di di liber­tà coin­vol­ti. Quan­do la dimen­sio­ne del cam­po di gau­ge aumen­ta, aumen­ta di con­se­guen­za la dimen­sio­ne del­l’o­lo­no­mia. Imple­men­ta­re que­ste olo­no­mie non-Abe­lia­ne, spe­cial­men­te quel­le rap­pre­sen­ta­te da matri­ci, si è dimo­stra­to par­ti­co­lar­men­te dif­fi­ci­le. Fino­ra, era­no sta­te rea­liz­za­te solo olo­no­mie bidi­men­sio­na­li (cor­ri­spon­den­ti a U(2)), limi­tan­do la simu­la­zio­ne di siste­mi fisi­ci solo a sim­me­trie di tipo iso­spin, sen­za poter con­si­de­ra­re le cari­che di colore.

La svolta nel nuovo studio

È qui che inter­vie­ne lo stu­dio pub­bli­ca­to su Natu­re Phy­sics. I ricer­ca­to­ri han­no svi­lup­pa­to una nuo­va rap­pre­sen­ta­zio­ne del­la teo­ria oloo­no­mi­ca basa­ta sul­la rap­pre­sen­ta­zio­ne di Hei­sen­berg e han­no sfrut­ta­to que­sta intui­zio­ne per rea­liz­za­re spe­ri­men­tal­men­te un’o­lo­no­mia quan­ti­sti­ca tri­di­men­sio­na­le non-Abe­lia­na. Que­sta olo­no­mia obbe­di­sce alla sim­me­tria U(3), la stes­sa rile­van­te per l’in­te­ra­zio­ne forte.

Come hanno fatto?

L’e­spe­ri­men­to è sta­to rea­liz­za­to su una piat­ta­for­ma foto­ni­ca quan­ti­sti­ca, sfrut­tan­do un gra­do di liber­tà uni­co dei siste­mi boso­ni­ci. Inve­ce di usa­re una sin­go­la par­ti­cel­la, han­no uti­liz­za­to due foto­ni indi­stin­gui­bi­li. Que­sti foto­ni “abi­ta­no” una strut­tu­ra di gui­de d’on­da foto­ni­che inci­se al laser in un chip di sili­ce fusa, dispo­ste in una con­fi­gu­ra­zio­ne a “trep­pie­de” (o gra­fo a stel­la). Tre gui­de d’on­da ester­ne inte­ra­gi­sco­no con una centrale.

Le inte­ra­zio­ni tra le gui­de d’on­da ester­ne e quel­la cen­tra­le sono descrit­te da coef­fi­cien­ti di accop­pia­men­to che fun­go­no da “para­me­tri” del siste­ma. Cam­bian­do que­sti coef­fi­cien­ti lun­go la dire­zio­ne di pro­pa­ga­zio­ne del­la luce (che nel loro espe­ri­men­to sosti­tui­sce il tem­po), trac­cia­no un per­cor­so chiu­so nel­lo spa­zio dei parametri.

Il cuo­re del­l’e­spe­ri­men­to risie­de negli “sta­ti scu­ri” del siste­ma. Sono sta­ti che, in un cer­to sen­so, non “vedo­no” la gui­da d’on­da cen­tra­le. Quan­do si iniet­ta un sin­go­lo foto­ne in que­sta strut­tu­ra e lo si pro­pa­ga lun­go un per­cor­so chiu­so e adia­ba­ti­co (suf­fi­cien­te­men­te len­to), lo sta­to del foto­ne subi­sce una tra­sfor­ma­zio­ne geo­me­tri­ca che imple­men­ta un’o­lo­no­mia U(2).

La genia­li­tà sta nel­l’u­ti­liz­za­re due foto­ni indi­stin­gui­bi­li. Men­tre nel caso di un sin­go­lo foto­ne ci sono due sta­ti scu­ri rile­van­ti per l’o­lo­no­mia U(2), lan­cian­do due foto­ni indi­stin­gui­bi­li, si ottie­ne un tri­plet­to di sta­ti scu­ri rile­van­ti. Que­sti tre sta­ti scu­ri a due foto­ni sono quel­li che imple­men­ta­no l’o­lo­no­mia U(3) desi­de­ra­ta. Que­sta capa­ci­tà di sca­la­re la dimen­sio­ne del grup­po di sim­me­tria aumen­tan­do il nume­ro di ecci­ta­zio­ni boso­ni­che è una carat­te­ri­sti­ca uni­ca dei siste­mi boso­ni­ci. I ricer­ca­to­ri han­no anche svi­lup­pa­to una nuo­va descri­zio­ne mate­ma­ti­ca basa­ta sugli ope­ra­to­ri di crea­zio­ne boso­ni­ci nela rap­pre­sen­ta­zio­ne di Hei­sen­berg per supe­ra­re ambi­gui­tà pas­sa­te nel­l’i­den­ti­fi­ca­re gli sta­ti scu­ri adat­ti in siste­mi boso­ni­ci complessi.

La verifica sperimentale

Per con­fer­ma­re di aver rea­liz­za­to un’o­lo­no­mia non-Abe­lia­na, han­no misu­ra­to il ciclo di Wil­son. Il ciclo di Wil­son è la trac­cia del­la matri­ce che rap­pre­sen­ta l’o­lo­no­mia. Per un’o­lo­no­mia Abe­lia­na di dimen­sio­ne N, il valo­re asso­lu­to del ciclo di Wil­son è esat­ta­men­te N. Una devia­zio­ne signi­fi­ca­ti­va da un valo­re inte­ro indi­ca in modo affi­da­bi­le la natu­ra non-Abe­lia­na e basa­ta su matri­ci dell’olonomia.

I risul­ta­ti spe­ri­men­ta­li han­no mostra­to un valo­re asso­lu­to del ciclo di Wil­son di cir­ca 1.854 per l’o­lo­no­mia U(2) (infe­rio­re a 2) e di cir­ca 2.49 per l’o­lo­no­mia U(3) (infe­rio­re a 3). Que­ste devia­zio­ni dai valo­ri inte­ri han­no ine­qui­vo­ca­bil­men­te dimo­stra­to la natu­ra non-Abe­lia­na del­le olo­no­mie rea­liz­za­te. L’e­spe­ri­men­to ha rag­giun­to un’im­pres­sio­nan­te fedel­tà e simi­la­ri­tà media del 99.7% rispet­to alle pre­vi­sio­ni teo­ri­che idea­li, sia nel caso U(2) che U(3).

Perché è importante?

Que­sta rea­liz­za­zio­ne di un’o­lo­no­mia quan­ti­sti­ca non-Abe­lia­na tri­di­men­sio­na­le (U(3)) apre la stra­da a diver­se entu­sia­sman­ti possibilità:

  • Stu­dio di teo­rie di gau­ge non-Abe­lia­ne di dimen­sio­ne supe­rio­re: For­ni­sce una piat­ta­for­ma spe­ri­men­ta­le per esplo­ra­re sim­me­trie di gau­ge più complesse;
  • Ana­lo­ghi quan­ti­sti­ci del­la cro­mo­di­na­mi­ca quan­ti­sti­ca: potreb­be con­sen­ti­re lo stu­dio spe­ri­men­ta­le di aspet­ti del­l’in­te­ra­zio­ne forte;
  • Simu­la­zio­ni di reti­co­li di gau­ge non-Abe­lia­ni: le olo­no­mie sono ele­men­ti chia­ve nel­le teo­rie di gau­ge su reti­co­lo, un approc­cio non per­tur­ba­ti­vo per stu­dia­re le inte­ra­zio­ni forti;
  • Esplo­ra­zio­ne di fisi­ca eso­ti­ca: potreb­be por­ta­re alla rea­liz­za­zio­ne di “sta­ti ad anel­lo” (“loop sta­tes”) pre­vi­sti dal­la gra­vi­tà quan­ti­sti­ca a loop;
  • Holo­no­mic Quan­tum Com­pu­ting: que­sto para­dig­ma di cal­co­lo quan­ti­sti­co pro­met­te gate quan­ti­sti­ci robu­sti e pro­tet­ti topo­lo­gi­ca­men­te. L’ap­proc­cio pre­sen­ta­to potreb­be esse­re adat­to per crea­re “nodi quan­ti­sti­ci” tra­mi­te l’in­trec­cio (brai­ding) di “linee di mon­do” boso­ni­che su chip fotonici.

In sin­te­si, que­sto lavo­ro non solo dimo­stra un note­vo­le con­trol­lo dei feno­me­ni quan­ti­sti­ci su un chip foto­ni­co, ma for­ni­sce anche uno stru­men­to poten­te per esplo­ra­re le sim­me­trie fon­da­men­ta­li che gover­na­no l’u­ni­ver­so, dal­la fisi­ca del­le par­ti­cel­le alla gra­vi­tà quan­ti­sti­ca, apren­do nuo­ve por­te per le simu­la­zio­ni quan­ti­sti­che e il futu­ro del cal­co­lo. È come se aves­se­ro rea­liz­za­to spe­ri­men­tal­men­te il pri­mo assag­gio del “colo­re” geo­me­tri­co del­l’in­te­ra­zio­ne for­te usan­do la luce!