Sommario
All’EPFL di Losanna, un team di ingegneri ha realizzato un metamateriale acustico capace di simulare il comportamento di atomi quantistici utilizzando semplici onde sonore. L’invenzione, ispirata ai principi della meccanica quantistica, consente di modellare sistemi complessi di materia condensata senza i vincoli di fragilità e interferenza che caratterizzano le particelle quantistiche reali. Questo nuovo approccio potrebbe aprire la strada alla creazione di un computer analogico acustico basato su stati sovrapposti, concettualmente simile a un computer quantistico.
L’idea nasce dalla frustrazione del ricercatore Mathieu Padlewski, dottorando presso il Laboratorio di Ingegneria delle Onde dell’EPFL, nel tentativo di studiare stati elettronici di materiali densi, ostacolato dalla sensibilità estrema dei sistemi quantistici reali. Collaborando con Hervé Lissek e Romain Fleury, Padlewski ha ideato un sistema acustico modulare in grado di riprodurre fedelmente le caratteristiche probabilistiche della meccanica quantistica.
Onde sonore al posto di onde di probabilità: una simulazione senza collasso
In meccanica quantistica, l’osservazione di un sistema comporta il “collasso” dello stato sovrapposto in un singolo valore misurabile. Questo rende difficile indagare le proprietà dei materiali senza alterarne lo stato. Con l’acustica, invece, le onde sonore possono essere misurate direttamente, in ampiezza e fase, senza interferire con la propagazione.
Il nuovo metamateriale, composto da 16 piccoli cubi collegati con aperture per diffusori e microfoni, funziona come una catena di “atomi acustici”. I diffusori generano onde sonore che si propagano attraverso il sistema, mentre i microfoni forniscono feedback per il controllo dinamico del comportamento del materiale.
Il risultato è un sistema completamente configurabile, che permette di modellare comportamenti simili a quelli della materia quantistica, mantenendo però la robustezza e la manipolabilità tipiche dei fenomeni acustici.
Dal paradosso del gatto di Schrödinger al suono armonico: un’analogia percettiva
Il principio della sovrapposizione quantistica, illustrato metaforicamente dal celebre paradosso del “gatto di Schrödinger”, trova una sorprendente analogia nel comportamento del suono. Quando ascoltiamo una voce o uno strumento, percepiamo contemporaneamente la frequenza fondamentale e i suoi armonici: una vera sovrapposizione di stati sonori. Questo rende l’acustica un terreno ideale per simulare concetti astratti della fisica quantistica.
Padlewski sottolinea che “le onde quantistiche sono comunque onde: perché non modellarle con suono?” Il sistema progettato all’EPFL consente proprio questo, traducendo fenomeni come stati sovrapposti, accoppiamenti energetici e non separabilità in esperienze fisiche manipolabili in laboratorio.
Simulazione della materia condensata: un nuovo strumento per la fisica sperimentale
L’obiettivo primario del team dell’EPFL è offrire ai fisici della materia uno strumento pratico per simulare strutture cristalline e materiali con proprietà elettroniche complesse, come i superconduttori, i topologici o i materiali bidimensionali. Invece di ricorrere a calcoli computazionalmente costosi o a esperimenti con atomi ultrafreddi, il metamateriale acustico consente di “ascoltare” il comportamento collettivo di un sistema quantistico, ottenendo dati sperimentali con grande semplicità e immediatezza.
La configurabilità del sistema è tale da permettere modifiche dinamiche delle interazioni tra “atomi sonori”, come ad esempio la variazione dell’accoppiamento tra nodi o la simulazione di potenziali esterni. Questo rende il dispositivo uno strumento versatile per testare ipotesi teoriche, configurazioni molecolari e stati topologici, riproducendo modelli impossibili da realizzare con tecniche tradizionali.
Verso un calcolatore acustico analogico: nuovi orizzonti per il computing
Una delle prospettive più interessanti aperte da questo lavoro riguarda lo sviluppo di un sistema di calcolo analogico basato su onde sonore, capace di simulare dinamiche quantistiche complesse. Pur non trattandosi di un computer quantistico nel senso stretto, il metamateriale acustico potrebbe eseguire alcune classi di calcoli difficilmente gestibili dai computer classici, in particolare quelli che implicano stati sovrapposti o accoppiamenti fortemente non lineari.
Il team intende ora aumentare il numero di “atomi acustici” per simulare sistemi su larga scala, introdurre disordini controllati per studiare transizioni di fase e fenomeni di localizzazione, e sperimentare forme tridimensionali del materiale, ampliando la gamma di modelli fisici riproducibili.
L’approccio rappresenta una rara convergenza tra fisica quantistica, ingegneria acustica e design sperimentale, e potrebbe ispirare sviluppi anche in ambiti come l’arte sonora interattiva, l’educazione scientifica e l’analisi musicale strutturale.
