Un flusso magnetico simulato ha annullato completamente il passaggio per effetto tunnel di una particella tra due luoghi: i possibili percorsi si sono cancellati a vicenda per interferenza. Il risultato, ottenuto da fisici dell’Università di Oxford con un computer quantistico ibrido, dimostra l’effetto Aharonov-Bohm in un sistema quantistico simulato. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics.
L’effetto Aharonov-Bohm si verifica quando una particella passa attorno a una regione attraversata da un flusso magnetico e la sua fase quantistica cambia, anche se non entra mai nella zona in cui è presente il campo. La fase è una proprietà quantistica che determina, tra le altre cose, come le diverse possibilità di movimento di una particella possono interferire. Predetto nel 1959 dai fisici Yakir Aharonov e David Bohm, l’effetto è stato poi confermato con esperimenti condotti su elettroni reali.
Il gruppo di Oxford ha studiato il fenomeno nel contesto delle teorie di gauge su reticolo, modelli matematici che descrivono le interazioni tra materia e campi nella fisica delle particelle. In questi modelli la materia si trova nei punti di una griglia, mentre i campi di gauge collegano i punti. Simulare sistemi di questo tipo diventa sempre più difficile con l’aumentare delle loro dimensioni; la simulazione quantistica offre un’alternativa, costruendo un sistema fisico che segue le regole del modello da studiare.
Dal 2022 i ricercatori hanno sviluppato un esperimento basato su un sistema ibrido. I qubit, cioè bit quantistici, erano codificati negli stati elettronici interni di ioni intrappolati e rappresentavano i campi di gauge. Le vibrazioni degli ioni, descritte come oscillatori quantistici, rappresentavano invece la materia. Due oscillatori, corrispondenti alla materia in due luoghi, erano collegati da due qubit che rappresentavano i campi tra quei punti: insieme formavano un circuito, elemento fondamentale della teoria. Il gruppo ha usato operazioni digitali per preparare e misurare il sistema e un’evoluzione quantistica analogica per simularne le interazioni.
I ricercatori hanno preparato i due qubit in uno stato entangled, cioè uno stato in cui le proprietà quantistiche sono collegate in modo privo di un equivalente classico. Nella simulazione, questo stato rappresentava il flusso magnetico attraverso il circuito. La scelta era inizialmente dettata da un limite pratico: l’hardware non poteva fornire l’interazione necessaria per introdurre il flusso come campo di fondo fisso. Ha però permesso di studiare un caso più articolato, in cui il campo di gauge evolve insieme alla materia.
«Per noi, il passo entusiasmante è stato codificare il flusso magnetico in un campo di gauge che fosse a sua volta dinamico. Invece di far evolvere la materia in un campo di fondo fisso, materia e campo di gauge diventano parte della stessa dinamica quantistica», ha dichiarato Sebastian Saner, ricercatore principale e ricercatore post-dottorato all’Università di Oxford.
Il gruppo ha quindi osservato una particella di materia passare per effetto tunnel da un luogo all’altro lungo il circuito. Senza flusso magnetico, la particella poteva spostarsi liberamente. Quando il flusso è stato introdotto, i due percorsi possibili hanno interferito in modo distruttivo: il tunneling è stato soppresso e il sistema è rimasto nello stato iniziale. «È in questo momento che osserviamo l’interferenza di Aharonov-Bohm con campi di gauge dinamici che codificano il flusso magnetico, dimostrando così l’interazione tra carica e flusso».
L’esperimento offre un metodo per studiare le interazioni tra materia e campi magnetici nei sistemi quantistici. Simulazioni analoghe, se sviluppate ulteriormente, potrebbero aiutare a esplorare interazioni più complesse, difficili da modellare con i computer convenzionali.
In uno studio correlato, un gruppo dell’Università del Maryland guidato dal professor Norbert Linke ha usato un sistema quantistico ibrido per simulare il potenziale di Yukawa, rilevante per la fisica nucleare e delle particelle. Nel loro insieme, i due studi mostrano come le architetture quantistiche ibride potrebbero aiutare a indagare le forze e le interazioni fondamentali che plasmano il mondo fisico.
