PhD Top Story - agosto 2026

Corso di Dottorato in Fisica

Una delle principali sfide della fisica contemporanea è sfruttare le proprietà quantistiche della materia per sviluppare tecnologie capaci di affrontare problemi impossibili o estremamente difficili per i dispositivi convenzionali. Uno dei requisti fondamentali per lo sviluppo di tecnologie quantistiche è il controllo e l’osservazione di singoli atomi.

Nei computer tradizionali l'informazione è codificata in bit, che possono assumere solo i valori 0 oppure 1. Nei computer, o simulatori, quantistici, invece, l’unità fondamentale è il qubit, un bit quantistico che può esistere in infiniti stati di sovrapposizione tra 0 e 1. Una delle strategie più promettenti per costruire questi sistemi consiste nell'utilizzare singoli atomi, oggetti intrinsecamente quantistici, come qubits. Per questo motivo è essenziale sviluppare tecniche che permettano di manipolare e misurare ogni singolo atomo con estreme precisione e affidabilità.

Nel nuovo laboratorio che abbiamo costruito [Figura 1(a)], abbiamo realizzato un sistema per intrappolare e osservare singoli atomi di itterbio. Gli atomi sono per prima cosa raffreddati quasi allo zero assoluto (-273 °C) tramite luce laser [Figura 1(b)], e poi catturati in microscopiche trappole ottiche realizzate con luce laser (optical tweezers). Una volta intrappolati, i singoli atomi sono illuminati con un altro laser, del quale assorbono e riemettono parte della luce grazie al fenomeno della fluorescenza, permettendoci di individuarli con grande precisione [Figura 2(a)].

Figura 1. Fotografie del laboratorio ArQuS. (a) Sistema da vuoto e luce di alcuni dei laser utilizzati. (b) Fluorescenza di una nuvola atomica contenente milioni di atomi raffreddati quasi alle zero assoluto.

Nella nostra ricerca, che consiste nella prima osservazione di singoli atomi in Italia, abbiamo sviluppato nuove tecniche per migliorare ed estendere le performances dell’imaging di singoli atomi. Una delle principali sfide nell’osservazione di singoli atomi consiste nel non perdere gli atomi durante l’acquisizione dell’immagine. Infatti, l'atto stesso di osservare un atomo tende a riscaldarlo: assorbendo e riemettendo luce l'atomo acquisisce energia e può sfuggire alla trappola, causando la perdita dell'informazione quantistica che trasporta.

In un primo esperimento, siamo riusciti a compensare questo effetto illuminando gli atomi con due laser simultaneamente: uno per stimolare la fluorescenza necessaria all'osservazione e un secondo per rimuovere continuamente l'energia in eccesso. Questo delicato equilibrio richiede che le immagini siano acquisite in tempi relativamente lunghi (per la scala atomica!) di qualche millesimo di secondo, potenzialmente limitando la velocità e il numero di operazioni che possono essere realizzate in successione.

Per superare questo limite abbiamo sviluppato una nuova tecnica basata su brevi e intensi impulsi di fluorescenza [Figura 2(b)]. Questi impulsi sono talmente brevi che permettono di osservare gli atomi senza indurre perdite e di farlo in pochi milionesimi di secondo, circa mille volte più velocemente dei tipici tempi di acquisizione. La nostra tecnica si basa sul fatto che gli atomi acquisiscono energia durante l’immagine, ma la durata è talmente breve che l’energia acquisita non è abbastanza da scappare dalle trappole ottiche. Inoltre, tramite veloci impulsi di raffreddamento possiamo rimuovere l’energia in eccesso dopo l’immagine, e ripetere l’osservazione degli stessi atomi per decine di immagini in rapida successione.

Un ulteriore vantaggio di questa tecnica è che permette di contare il numero di atomi contenuti in una singola trappola. Con schemi tradizionali, infatti, la presenza di più atomi in una trappola porta alla loro rapida perdita durante l'osservazione, rendendo possibile soltanto distinguere tra "atomo presente" e "atomo assente". Nel nostro caso invece, possiamo direttamente determinare il numero di atomi intrappolati in una singola trappola senza che essi vengano persi durante l’immagine [Figura 2(c)].

Infine, il nostro lavoro ha portato alla prima osservazione di singoli atomi dell’isotopo itterbio-173, un particolare isotopo caratterizzato da ben sei stati interni nel suo livello fondamentale. Un sistema quantistico basato su questo isotopo permetterebbe di lavorare con sistemi di qudits, oggetti quantistici che estendono il concetto di qubit a sistemi con molti livelli e che offrono sistemi ancora più efficienti per la conservazione e lo scambio di informazioni.

Figura 2. Imaging veloce di singoli atomi. (a) Immagine di 30 atomi di itterbio intrappolati in optical tweezers. (b) Schema per l’eccitazione di fluorescenza con fasci laser impulsati. (c) Istogramma della fluorescenza raccolta in trappole contenenti più di un atomo: ogni picco corrisponde a un numero diverso di atomi, da 0 a 6 da sinistra a destra.

Elenco autori ed affiliazioni:
Alessandro Muzi Falconi¹, Riccardo Panza^1,2, Omar Abdel Karim², Sara Sbernardori^1,2, Riccardo Forti^1,3, Wenliang Liu², Ralf Klemt⁴, Matteo Marinelli^1,5, Francesco Scazza<sup>1,2

1</sup> Dipartimento di Fisica, Università di Trieste, 34127 Trieste, Italia
² Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO), 34149 Trieste, Italia
³ Elettra Sincrotrone Trieste S.C.p.A., 34149 Trieste, Italia
⁴ Physikalisches Institut and Center for Integrated Quantum Science and Technology, Universität Stuttgart, 70569 Stoccarda, Germania
⁵ Istituto Officina dei Materiali del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IOM), 34149 Trieste, Italia

Contatto: 
Alessandro Muzi Falconi
email: alessandro.muzifalconi@mpq.mpg.de

Referenza del lavoro:

1. Alessandro Muzi Falconi, Riccardo Panza, Sara Sbernardori, Riccardo Forti, Ralf Klemt, Omar Abdel Karim, Matteo Marinelli e Francesco Scazza, "Microsecond-Scale High-Survival and Number-Resolved Detection of Ytterbium Atom Arrays", Phys. Rev. Lett. 135, 203402 (2025); DOI: https://doi.org/10.1103/n3bg-7yw7
    
2. Omar Abdel Karim, Alessandro Muzi Falconi, Riccardo Panza, Wenliang Liu e Francesco Scazza "Single-atom imaging of 173 Yb in optical tweezers loaded by a five-beam magneto-optical trap", Quantum Sci. Technol. 10, 045019 (2025); DOI 10.1088/2058-9565/adf7c