I sistemi atomici a bassa temperatura manifestano un comportamento molto diverso dalla fisica classica. In meccanica quantistica, livelli energetici discreti sono alla base della definizione attuale del secondo e abilitano il funzionamento degli orologi atomici. Man mano che gli orologi ottici raggiungono incertezze sempre più basse, la fisica limitante non è più soltanto la meccanica quantistica del singolo atomo: correlazioni a molti corpi, interazioni ed effetti collettivi possono diventare rilevanti.
Questo laboratorio sviluppa strumenti teorici e computazionali per analizzare sistemi quantistici many-body connessi alla metrologia di tempo e frequenza e alle tecnologie quantistiche. Quando i problemi vanno oltre trattamenti di campo medio o perturbativi, una modellazione accurata richiede spesso calcolo massivamente parallelo su risorse di High-Performance Computing (HPC).
I temi di ricerca includono gas ultrafreddi interagenti, ottica quantistica, problemi di impurezze e modelli di spin rilevanti per simulazione quantistica e per l’interpretazione di esperimenti di precisione. Il lavoro fornisce previsioni quantitative, stime di incertezza e supporto all’analisi dati per esperimenti del Settore, aiutando a identificare effetti sistematici e limiti prestazionali.
Orologi ottici e sensori basati su atomi operano sempre più in regimi in cui entanglement, collisioni e dinamiche collettive influenzano stabilità e accuratezza. La modellazione teorica aiuta a determinare quando tali effetti possono essere trattati come piccole correzioni e quando devono essere ingegnerizzati o sfruttati, per esempio per ottenere prestazioni quantum-enhanced.
Il laboratorio contribuisce anche allo sviluppo di metodi, con algoritmi numerici efficienti, approcci stocastici quantum Monte Carlo o variazionali, così che parametri sperimentali realistici possano essere simulati. Una stretta interazione con i gruppi sperimentali consente alla teoria di guidare strategie di misura e interpretare risultati, inclusa l’identificazione di dinamiche fuori equilibrio.
In questo modo, la teoria quantistica a molti corpi diventa una capacità abilitante sia per la metrologia di precisione sia per applicazioni di tecnologie quantistiche perseguite nel Settore Tempo e Frequenza.