Rappresentazione schematica d’una passeggiata quantistica a singolo fascio di fotoni nello spazio del momento angolare orbitale. Crediti: Filippo Cardano e Ebrahim Karimi
Vi è mai capitato di fare una passeggiata aleatoria? Magari sì e nemmeno ve lo ricordate, visto che ci accade soprattutto in stato d’ebbrezza. Se volete provarci da sobri, le istruzioni sono banali e basta una moneta. Ogni volta che la lanciate vi spostate d’un passo, avanti se esce testa e indietro se esce croce. Questo il caso più semplice, quello unidimensionale. Con due monete, una per scegliere se procedere a destra o a sinistra e l’altra se avanti o indietro, il gioco si fa più interessante, permettendovi di spostarvi su due dimensioni. Se poi avete voglia di complicarlo ancor di più, aggiungete una terza moneta, ma a questo punto vi occorreranno le ali. E magari una quarta, e qui alle ali dovrete aggiungere parecchia immaginazione, e così via. Ma anche se, per i vostri gusti, non ci fosse una random walk abbastanza complessa, non disperate: potete sempre cimentarvi con la quantum walk. È quello che hanno provato a fare, sotto la guida di Lorenzo Marrucci, gli scienziati dello SLAM Group di Napoli. E il risultato ha avuto successo: la loro passeggiata è finita sulle pagine – rigorosamente ad accesso libero, licenza Creative Commons BY-NC (applauso) – di Science Advances.
Diciamo che sia uscita croce, così da fare un passo indietro anche noi: che diavolo sarebbe, una passeggiata quantistica? Semplice, almeno a parole: è la passeggiata aleatoria che compirebbe un camminatore quantistico con una moneta pure essa quantistica. Ora, considerando che gli abitanti del mondo quantistico esibiscono abitudini deprecabili, tipo quella d’entrare in una stanza passando contemporaneamente per due porte, potete ben immaginare quali vette di perversa tortuosità possa toccare una passeggiata a braccetto con uno di loro. Ma è stata proprio questa complessità a stuzzicare i ricercatori del team di Marrucci. Come scrivono all’inizio del loro articolo ricordando una celebre proposta di Richard Feynman, è possibile simulare un sistema quantistico complesso mediante un altro sistema quantistico più semplice. E oltre a essere possibile, grazie agli sviluppi della tecnologia sta diventando anche sempre più spesso fattibile.
Filippo Cardano
Ecco così che allo SLAM Group, per realizzare il “sistema quantistico più semplice”, sono riusciti ad approntare un esperimento in grado di far propagare un fascio di fotoni attraverso diversi dispositivi ottici, ognuno dei quali rappresenta un “passo” nel mondo quantistico. Ma allora chi interpreta il camminatore e chi la moneta? La moneta, in questo caso, è la polarizzazione dei fotoni, che avanzano con un fronte d’onda elicoidale. E il camminatore sarebbe dunque il fotone? «No, la “quantità” che si sposta, che “cammina”, non è il fotone», spiega a Media INAF il primo autore dell’articolo, Filippo Cardano, in procinto di terminare il dottorato in fisica alla Federico II di Napoli, «ma il suo momento angolare orbitale, che può aumentare o diminuire a seconda della polarizzazione».
Qui occorre sottolineare che il dispositivo chiave, la “scatola magica” in grado appunto di far sì che un fotone vada a destra o a sinistra in base alla polarizzazione, è stato interamente ideato e realizzato dallo stesso gruppo di Marrucci. Si chiama q-plate, e il suo ingrediente cruciale non è tanto la tecnologia quanto la genialità, considerando i costi irrisori del layout sperimentale. «Siamo nell’ordine delle migliaia di euro. Quelli fotonici non sono esperimenti complicati», dice Cardano, «tipicamente sono realizzati in un laboratorio che è grande quanto una stanza. Il componente più costoso di solito è il laser, che costa attorno ai 70-100 mila euro».
Di “passeggiate quantistiche”, a dire il vero, se ne osservano da una decina d’anni. La novità è che i ricercatori dello SLAM sono riusciti a studiare la struttura a bande del sistema quantistico, precisa Cardano: «La struttura a bande del sistema fisico osservato, in questo caso, è appunto quella della polarizzazione e del momento angolare orbitale dei fotoni. Sono processi con caratteristiche simili a quelle dei sistemi d’elettroni in un reticolo unidimensionale, bidimensionale o tridimensionale, come accade nei cristalli o in altri sistemi di materia condensata. Sistemi nei quali gli elettroni vengono studiati introducendo delle funzioni d’onda che sono caratterizzate dall’esistenza di bande d’energia».
Di passi ne hanno fatti pochi, bisogna dire: per ora non più di sei. Ma come altri “piccoli passi” ci hanno insegnato, anche questi sei passettini compiuti dai fotoni napoletani (o meglio, del loro momento angolare orbitale) potrebbero aprire la strada, se non a grandi balzi per l’umanità, certo a importanti progressi nella comprensione di sistemi quantistici più complessi, proprio come pronosticava Feynman.
Per saperne di più:
- Ascolta l’intervista di Media INAF a Filipppo Cardano
- Leggi su Science Advances l’articolo “Quantum walks and wavepacket dynamics on a lattice with twisted photons”, di Filippo Cardano, Francesco Massa, Hammam Qassim, Ebrahim Karimi, Sergei Slussarenko, Domenico Paparo, Corrado de Lisio, Fabio Sciarrino, Enrico Santamato, Robert W. Boyd e Lorenzo Marrucci
- Sul q-plate, leggi l’articolo pubblicato nel 2006 su Physical Review Letters, “Optical Spin-to-Orbital Angular Momentum Conversion in Inhomogeneous Anisotropic Media”, di L. Marrucci, C. Manzo e D. Paparo