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Come manipolare lo stato di un oggetto quantistico
È possibile manipolare lo stato di un oggetto? Se nella fisica classica questo è già noto, a livello nanometrico il cambiamento di stato si scontra con i limiti imposti dalla meccanica quantistica, come quelli della velocità della trasformazione e della fragilità intrinseca di ogni oggetto quantistico. Una ricerca appena apparsa sulla pagina web della rivista "Nature Physics" dimostra come sia possibile manipolare oggetti quantistici alla velocità massima e con un'efficienza perfetta. L'articolo è frutto di una collaborazione tra il dipartimento di Fisica dell'Università di Pisa e il Laboratorio NEST (National Enterprise for NanoScience and nanoTechnology) della Scuola Normale Superiore, CNR ed IIT, con la partecipazione di Mark Bason, Matthieu Viteau, Nicola Malossi, e Oliver Morsch dell'Istituto di Ottica del CNR. Per l'Università di Pisa hanno partecipato Ennio Arimondo, Donatella Ciampini e Riccardo Mannella, Paul Huillery dottorando in cotutela dell'Università di Pisa e quella di Paris Sud; per il NEST Rosario Fazio e Vittorio Giovannetti, docenti della Scuola Normale.
L'ingegneria quantistica prevede l'uso di uno strumento quantistico, come la radiazione emessa da un laser, per preparare singoli oggetti quantistici in uno stato ben determinato e per controllarne l'evoluzione temporale con la massima efficienza in relazione allo stato quantistico che si vuole ottenere. Questo obiettivo, che attualmente stimola numerose ricerche nell'ambito di una forte competizione internazionale, riguarda una grande varietà di sistemi studiati in fisica, chimica e biologia.
Per esempio, in una reazione chimica si richiede di produrre una particolare struttura con la massima efficienza e nel minor tempo possibile. Illuminando i reagenti con una radiazione laser opportunamente manipolata nella sua intensità e nella sua lunghezza d'onda si possono aumentare di ordini di grandezza sia la velocità del processo che la sua efficienza. In questo regime i principi fondamentali della meccanica quantistica impongono limiti molto stringenti a quello che si può pensare di realizzare in pratica: ad esempio, un cambiamento di stato quantistico ha una massima velocità a cui può essere operato, e tipicamente le manipolazioni degradano rapidamente lo stato quantistico e non consentono di arrivare al risultato desiderato con efficienza completa.
Nell'articolo oggetto della pubblicazione sono stati studiati, sia teoricamente che sperimentalmente, nuovi protocolli di manipolazione che, lavorando nel limite imposto dal principio di indeterminazione quantistica di Heisenberg, e quindi con la massima velocità teorica possibile, consentono di raggiungere lo stato bersaglio con efficienza del 100%, pur essendo estremamente robusti rispetto a variazioni dei parametri sperimentali di controllo. Sono state quindi verificate le straordinarie possibilità associate al mondo quantistico quando l'operatore, diventando l'equivalente di quel "Dio che non gioca a dadi" invocato da Albert Einstein, impone la migliore manipolazione quantistisca in relazione allo stato bersaglio. L'esperimento sfrutta per la sua realizzazione i condensati di Bose-Einstein, protagonisti del premio Nobel in Fisica nel 2001. Essi sono degli oggetti quantistici costituiti da atomi ultrafreddi resi identici in tutte le loro proprietà attraverso un complesso schema di manipolazione laser.
Pur essendo un'attività svolta nell'ambito della ricerca di base, il lavoro pubblicato può avere importanti ripercussioni anche in altri settori. I risultati ottenuti, infatti, sono di immediata applicazione per l'ottimizzazione dei protocolli con cui operano, in campo medicale, i macchinari per la diagnostica basata sulla risonanza magnetica nucleare. Inoltre possono avere un impatto anche in altri settori, in particolare nell'informazione quantistica, sulla strada che condurrà alla costruzione di calcolatori in grado di elaborare dati in modo straordinariamente efficiente grazie all'uso delle leggi della meccanica quantistica. Il recente sviluppo tecnologico ha anche dimostrato come l'ingegneria quantistica mentre viene estesa verso il mondo mesoscopico, si applica in tutti quei casi in cui sono manipolati sistemi in regime quantistico, come ioni intrappolati, giunzioni superconduttrici, punti quantici. A questi sistemi, che possiedono un grande potenziale applicativo, possono essere estesi diversi dei risultati della ricerca pubblicata. (Foto © Franco Ficeli)
Leggi l'articolo su "Nature Physics".
Si laureano i primi tre professionisti del network
Una figura professionale nuova nel panorama professionale nazionale, capace di progettare e realizzare infrastrutture hardware-software distribuite innovative: si sono laureati a Pisa i primi tre "professionisti del network" che hanno frequentato il corso di laurea magistrale in "Informatica e Networking", istituito da Università di Pisa e Scuola Superiore Sant'Anna. Venerdì 16 dicembre 2011 Alberto Bandettini (26 anni, di Lucca), Tiziano De Matteis (24 anni, di Lecce) e Fabio Luporini (24 anni, di Lucca) hanno discusso la loro tesi di laurea nell'Aula Magna nuova del Palazzo della Sapienza, laureandosi con 110 e lode. La proclamazione è avvenuta alla presenza del vicedirettore della Scuola Sant'Anna, Pierdomenico Perata, e del prorettore alla Didattica dell'Università di Pisa, Paolo Mancarella.
Le tesi discusse toccano argomenti di ricerca particolarmente avanzata – metodologie di progettazione, modelli di programmazione valutazione delle prestazioni di architetture parallele - e forniscono un contributo rilevante nel settore dei sistemi di elaborazione ad alte prestazioni. La commissione di laurea era composta da Marco Vanneschi, del dipartimento di Informatica, presidente del corso di laurea e relatore delle tre tesi, Piero Castoldi, della Scuola Superiore Sant'Anna e vicepresidente del corso di laurea, Giancarlo Prati, direttore dell'Istituto di tecnologie della comunicazione, dell'informazione e della percezione della Scuola Superiore Sant'Anna, Marco Danelutto, del dipartimento di Informatica, e Stefano Giordano, del dipartimento di Ingegneria dell'informazione, in rappresentanza dei tre dipartimenti e istituti che partecipano al corso di laurea.
Il corso di laurea, che è tenuto totalmente in lingua inglese e annovera tra i suoi studenti alcune decine di stranieri, è riservato ogni anno a 40 studenti provenienti dalle lauree in Informatica, Ingegneria informatica e Ingegneria delle telecomunicazioni o ad altre lauree che soddisfino i requisiti curriculari minimi. Attivato nell'anno accademico 2009-2010, il corso produrrà nei prossimi mesi diversi altri laureati.
"La figura professionale dei laureati in Informatica e Networking è caratterizzata da un nuovo modo di integrare le due discipline (appunto l'Informatica e il Networking) che, seppur entrambe nell'ambito dell'ICT (Information and Communication Technology), sono state tradizionalmente tenute distinte a livello scientifico e didattico", spiega il professor Marco Vanneschi.
"Oggi, e nell'immediato futuro, è invece richiesta la capacità di progettare, in modo innovativo, sistemi ed applicazioni nei quali le due discipline siano fuse intimamente", continua Vanneschi. "Molte aziende e istituzioni, oltre al mondo della ricerca, richiedono questo tipo di competenza in Italia e, in particolare, nelle sedi internazionali più qualificate, anche grazie al fatto che il corso di laurea è internazionale". "È motivo di grande soddisfazione vedere i primi laureati di questo corso di laurea magistrale, che hanno brillantemente completato un percorso formativo, fortemente interdisciplinare e altamente selettivo", aggiunge il professor Piero Castoldi.
I primi tre laureati, e quelli che seguiranno nei prossimi mesi, sono già stati contattati da aziende e laboratori di ricerca e sviluppo avanzata. Inoltre, nell'ambito della collaborazione tra dipartimento di Informatica e società LIST di Pisa, sono state assegnate, in questi giorni, otto borse di approfondimento a studenti del primo e del secondo anno: a testimoniare dell'importanza che una certa parte del mondo industriale più avanzato attribuisce alla capacità di studio e di ricerca innovativa.
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