Nella metrologia quantistica, dove gli effetti della meccanica quantistica vengono sfruttati per spingere la precisione delle misurazioni oltre i limiti classici, un gruppo di ricerca internazionale ha dimostrato che l'entanglement tra sistemi separati nello spazio può migliorare significativamente la capacità di misurare simultaneamente più grandezze fisiche. Lo studio, condotto dai gruppi del professor Philipp Treutlein dell'Università di Basilea e della professoressa Alice Sinatra del Laboratoire Kastler Brossel di Parigi e pubblicato sulla rivista Science, apre prospettive concrete per applicazioni in strumenti di precisione come orologi atomici ottici e gravimetri.
La chiave dell'innovazione risiede nell'utilizzo di nubi atomiche ultrafredde le cui proprietà quantistiche rimangono correlate anche quando vengono fisicamente separate. I ricercatori hanno dimostrato che questa peculiare configurazione consente di mappare con precisione senza precedenti la distribuzione spaziale di campi elettromagnetici, riducendo contemporaneamente le incertezze intrinseche dovute agli effetti quantistici e cancellando disturbi che influenzano uniformemente tutti gli atomi coinvolti.
L'entanglement quantistico, fenomeno alla base del paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen confermato sperimentalmente e riconosciuto con il Premio Nobel per la Fisica 2022, descrive una situazione in cui le misurazioni effettuate su due oggetti quantistici mostrano correlazioni statistiche impossibili da spiegare con la fisica classica. Circa quindici anni fa, il gruppo di Treutlein era stato tra i primi a creare entanglement tra gli spin di atomi ultrafreddi contenuti in un'unica posizione, consentendo misurazioni più precise rispetto a sistemi in cui ciascun atomo si comporta indipendentemente.
Il salto concettuale dell'attuale ricerca consiste nell'aver esteso questo approccio a sistemi distribuiti. Come spiega Yifan Li, che ha lavorato al progetto come ricercatore postdottorale nel gruppo di Basilea, fino a questo momento nessuno aveva realizzato misurazioni quantistiche utilizzando nubi atomiche entangled separate nello spazio, e mancava anche un quadro teorico chiaro per tali configurazioni sperimentali. Il team ha quindi sviluppato protocolli per minimizzare l'incertezza quando si usano nubi entangled per misurare la struttura spaziale di un campo elettromagnetico.
La procedura sperimentale prevede innanzitutto la creazione dell'entanglement tra gli spin atomici all'interno di una singola nube. Questi spin, che possono essere immaginati come minuscoli aghi di bussola quantistici, vengono poi divisi in fino a tre parti separate spazialmente che mantengono le loro correlazioni quantistiche. Con un numero relativamente ridotto di misurazioni, il sistema è in grado di determinare la distribuzione del campo con una precisione nettamente superiore a quella ottenibile senza entanglement distribuito nello spazio.
Le implicazioni pratiche di questa ricerca sono particolarmente rilevanti per gli orologi a reticolo ottico, dispositivi in cui atomi sono confinati da fasci laser disposti a formare un reticolo cristallino e funzionano come meccanismi di cronometraggio estremamente precisi. Come sottolinea Lex Joosten, dottorando nel gruppo di Basilea, i nuovi protocolli di misurazione possono essere applicati direttamente a questi strumenti esistenti, riducendo errori specifici causati dalla distribuzione degli atomi all'interno del reticolo e portando a una misurazione del tempo ancora più accurata.
Altrettanto promettenti sono le applicazioni negli interferometri atomici utilizzati per misurare l'accelerazione gravitazionale terrestre. In particolare nei gravimetri, strumenti che rilevano come la gravità varia nello spazio, l'utilizzo di atomi entangled consente di misurare queste variazioni con una sensibilità superiore ai metodi tradizionali. Questa capacità si rivela fondamentale in applicazioni che vanno dalla geofisica all'esplorazione di risorse sotterranee, fino al monitoraggio di fenomeni geologici.
La ricerca rappresenta dunque un avanzamento significativo nella metrologia quantistica applicata, dimostrando che le correlazioni quantistiche non locali, un tempo considerate principalmente come curiosità fondamentali della meccanica quantistica, possono tradursi in vantaggi concreti e misurabili per tecnologie di precisione. Il prossimo passo sarà l'integrazione di questi protocolli in strumenti operativi, verificandone le prestazioni in condizioni reali e esplorando ulteriori configurazioni di entanglement spazialmente distribuito per ottimizzare specifiche applicazioni metrologiche.
