Illustrazione di un sistema a 3 livelli accoppiato a tre bagni termici a diverse temperature e controllato esternamente da un operatore Hamiltoniano dipendente dal tempo. Immagine estrapolata dal materiale integrativo dell’articolo scientifico “S. Gherardini, A. Belenchia, M. Paternostro, and A. Trombettoni, End-point measurement approach to assess quantum coherence in energy fluctuations, Phys. Rev. A 104, L050203 (2021)”.

Immagine estrapolata dalla back cover dell’articolo scientifico “I. Mastroserio, S. Gherardini, C. Lovecchio et al., Experimental realization of optimal time-reversal on an atom chip for quantum undo operations, Adv. Quantum Technol. 5 (12), 2200057 (2022)“. L’immagine, creata da I. Mastroserio, descrive il modo in cui impulsi di controllo ottimali possono essere impiegati per eseguire correttamente evoluzioni di inversione temporale in sistemi quantistici aperti controllati. In piattaforme basate su porte logiche quantistiche, si potrebbe associare l’inversione temporale dell’ultima operazione eseguita ad un comando di undo per computer quantistici.

Descrizione

In questa attività di ricerca si studiano le leggi della termodinamica in sistemi quantistici a molti corpi od a singola particella, sia chiusi (ossia controllati coerentemente per esempio mediante luce laser) che aperti (in interazione con l’ambiente esterno). In particolare, si caratterizzano le distribuzioni di probabilità di lavoro, calore ed entropia secondo i principi della termodinamica stocastica.

Uno degli obiettivi è la verifica dei cosiddetti teoremi di fluttuazione che legano quantità termodinamiche all’equilibrio, difficilmente accessibili, con altre di non-equilibrio che invece possono essere misurate sperimentalmente. In quest’ambito, si vuole fornire la caratterizzazione dell’irreversibilità della dinamica di sistemi quantistici aperti mediante il calcolo della produzione di entropia stocastica. L’irreversibilità è un concetto trasversale a molte discipline della fisica, specialmente la fisica statistica e sistemi complessi, in quanto spiega e permette di valutare le cause della dissipazione del calore per la rottura della simmetria dell’inversione temperale. Ciò stabilisce di definire il divario sostanziale fra passato e futuro, il cui paradosso nella nostra realtà macroscopica prende il nome di “freccia del tempo”.

Inoltre, si vogliono determinare le condizioni fisico-matematiche per l’inclusione della coerenza e correlazioni quantistiche nelle distribuzioni di probabilità di quantità termodinamiche. A tale scopo, gli approcci a schema di misura finale (end-point measurement (EPM) scheme) ed a quasi-probabilità sono quelli maggiormente esaminati. Come possibile applicazione le distribuzioni quantistiche risultanti possono dar luogo a processi energetici per l’estrazione di lavoro, oltre limiti classici fondamentali.

Queste ricerche di termodinamica e fisica statistica stanno trovando utilizzo nel quantum computing e nel quantum sensing, che sono ormai riconosciuti dagli addetti ai lavori come due pilastri delle attuali tecnologie quantistiche. Da non dimenticare anche la naturale applicazione ai campi dell’energie rinnovabili e della sostenibilità energetica, per cui tramite la coerenza quantistica è stata teorizzata la possibilità di andare oltre il limite superiore all’efficienza fotovoltaica.

Infine, ulteriore obiettivo è testare i risultati teorici in esperimenti di laboratorio. A questo riguardo, già molte predizioni sono state verificate dal gruppo di ricerca “Diamond quantum nano-engineering”, all’interno del CNR-INO, in piattaforme sperimentali basate su singoli spin e sistemi di spin in diamante.

Staff INO

Fabbri Nicole
Gherardini Stefano (Persona di riferimento)