Ventimila atomi di rubidio raffreddati vicino allo zero assoluto, un chip attraversato da fili d'oro spessi due micrometri e un'onda quantistica divisa in due percorsi: uno tenuto fermo da un campo magnetico, l'altro lasciato cadere sotto la sola gravità. È così che un team internazionale ha misurato per la prima volta, in modo diretto, come il principio di equivalenza di Einstein cambia la fase quantistica di un atomo in caduta libera. Lo studio è uscito il 2 settembre 2026 su Science Advances.
L'esperimento: il Quantum Galileo Interferometer
L'apparato, battezzato Quantum Galileo Interferometer in omaggio al Galilei della torre di Pisa, nasce dalla collaborazione fra l'Università Ben-Gurion del Negev, l'Università di Ulm e l'Università di Oxford. La parte sperimentale è stata condotta nel laboratorio di Ron Folman (Ben-Gurion) dal dottorando Or Dobkowski; il quadro teorico dell'apparato è di Wolfgang Schleich (Ulm), mentre l'esperimento era stato proposto nel 2020 da Vlatko Vedral e Chiara Marletto (Oxford). Fra i coautori compare anche il premio Nobel Roger Penrose.
Il gruppo ha raffreddato circa 20.000 atomi di rubidio fino a formare un condensato di Bose-Einstein, manipolato a circa 113 micrometri sotto un chip atomico. Impulsi a microonde hanno posto ciascun atomo in una sovrapposizione di due stati magnetici: una componente, resa insensibile al campo, è salita e poi è ricaduta seguendo una traiettoria balistica; l'altra è rimasta sospesa da una forza magnetica calibrata per compensarne il peso. Al vertice della traiettoria le due componenti erano separate di 7,5 micrometri, quasi sette volte la larghezza dell'onda atomica. Riunendole, l'interferenza ha rivelato la differenza di fase accumulata durante la caduta: cresce con il cubo del tempo di caduta, come predetto nel 1927 da Charles Galton Darwin ed Earle Kennard, ma mai misurato prima in modo così diretto. Il comunicato dell'Università di Oxford con il link al paper su Science Advances riporta i dettagli tecnici e i riferimenti bibliografici.
L'angolo italiano: dodici anni fa Firenze faceva già cadere gli atomi
Il Quantum Galileo Interferometer non nasce dal nulla. La versione quantistica della caduta dei gravi ha in Italia un precedente concreto: nel 2014 il gruppo guidato da Guglielmo Tino, ricercatore INFN e ordinario di Fisica della materia a Firenze, aveva pubblicato su Physical Review Letters il primo test del principio di equivalenza condotto confrontando atomi con spin diverso, bosoni e fermioni, usando isotopi di stronzio in caduta libera in un interferometro atomico. Lo stesso team, sempre nel 2014, aveva misurato la costante gravitazionale G con l'interferometro atomico su Nature. Il comunicato INFN sull'esperimento MAGIA a Firenze raccoglie i dettagli.
I due approcci non si sovrappongono, si completano. Firenze lavora con fontane atomiche di stronzio e confronta specie diverse per cercare violazioni dell'equivalenza; il team israeliano, tedesco e britannico usa un chip atomico e la sovrapposizione di due stati di uno stesso atomo di rubidio, misurando la fase quantistica in caduta libera contro un ramo tenuto fermo nel laboratorio. La misura del 2026 è quindi il primo tassello che collega in modo diretto la fase quantistica di un oggetto in caduta libera alla previsione di Einstein applicata a un'onda. Il filone italiano sui sensori quantistici prosegue in parallelo, anche sul versante infrastrutturale: si veda ad esempio il primo motore quantistico su chip che punta a ridurre i cavi dei qubit e i finanziamenti nazionali che ruotano attorno all'Einstein Telescope e al progetto ETIC.
Cosa dimostra (e cosa no) il risultato
I ricercatori sono espliciti su un punto: l'esperimento non è una teoria della gravità quantistica e non risolve il problema dell'unificazione fra relatività generale e meccanica quantistica. Nel regime esplorato, però, il principio di equivalenza continua a descrivere la materia anche quando un singolo atomo segue simultaneamente due evoluzioni distinte. È un vincolo utile per valutare modelli come quello di Penrose sul collasso della sovrapposizione per oggetti molto massicci, che questi dati non smentiscono.
Sul piano applicativo, la ricaduta più immediata è metrologica. Gli interferometri atomici sono la base dei sensori inerziali e dei gravimetri quantistici di nuova generazione, con applicazioni in geodesia, prospezione geologica, navigazione senza GPS e monitoraggio delle onde gravitazionali a frequenze basse. Aumentare il tempo di caduta e le masse coinvolte è la direzione naturale del prossimo passo: se il segno del principio di equivalenza dovesse iniziare a scricchiolare in un regime più estremo, quello sarebbe il primo indizio sperimentale utile a chi cerca da decenni una teoria unificata. Per la ricerca italiana, la strada passa dal quantum sensing e dagli investimenti sull'infrastruttura gravitazionale che alimenta i futuri test di fisica fondamentale.
Domande frequenti
Qual è l'obiettivo principale dell'esperimento condotto con il Quantum Galileo Interferometer?
L'obiettivo principale è stato misurare in modo diretto come il principio di equivalenza di Einstein influenza la fase quantistica di un atomo in caduta libera, collegando la previsione di Einstein all'evoluzione di un'onda quantistica.
In che modo l'esperimento differisce dai precedenti studi italiani sulla caduta degli atomi?
A differenza degli esperimenti italiani che confrontavano specie atomiche diverse per individuare possibili violazioni del principio di equivalenza, il nuovo esperimento utilizza la sovrapposizione di due stati dello stesso atomo di rubidio su un chip atomico, misurando la differenza di fase quantistica in caduta libera.
Questo risultato rappresenta un passo verso una teoria della gravità quantistica?
No, l'esperimento non fornisce una teoria della gravità quantistica né risolve il problema dell'unificazione tra relatività generale e meccanica quantistica, ma conferma la validità del principio di equivalenza anche in ambito quantistico per sistemi microscopici.
Quali sono le possibili applicazioni pratiche di questa ricerca?
Le applicazioni più immediate riguardano la metrologia: gli interferometri atomici sono fondamentali per sensori inerziali, gravimetri quantistici e sistemi di navigazione avanzata, oltre a contribuire al monitoraggio delle onde gravitazionali e alla geodesia.
Quali sono i prossimi passi suggeriti dalla ricerca?
La ricerca suggerisce di aumentare il tempo di caduta e le masse coinvolte negli esperimenti, per esplorare regimi in cui potrebbero emergere possibili violazioni del principio di equivalenza, aprendo nuove prospettive per una futura teoria unificata.
