Nel laboratorio dell'Istituto Niels Bohr di Copenaghen, quello che appare come un comune tavolo da pranzo nasconde una tecnologia rivoluzionaria che potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui misuriamo fenomeni che vanno dalle onde gravitazionali ai segnali biologici nel nostro corpo. I ricercatori danesi hanno infatti sviluppato un sistema quantistico ibrido che supera i limiti tradizionali della fisica, aprendo nuove frontiere per la diagnostica medica e l'esplorazione dell'universo. La compattezza del dispositivo rappresenta un vantaggio cruciale rispetto ai sistemi convenzionali, che richiedono strutture enormi per ottenere risultati simili.
La sfida del rumore quantistico nella misurazione
Ogni volta che tentiamo di misurare qualcosa a livello quantistico, ci scontriamo con un problema fondamentale: l'atto stesso della misurazione disturba il sistema che stiamo osservando. Questo fenomeno, noto come back-action noise, insieme al rumore di rilevamento intrinseco, crea quello che i fisici chiamano "limite quantistico standard". È come cercare di misurare la temperatura di una tazza di caffè con un termometro gigante che ne altera inevitabilmente il calore.
Le tecnologie di rilevamento ottico fanno già parte della nostra vita quotidiana, ma negli ultimi anni i progressi nell'ottica quantistica hanno spinto la sensibilità di questi dispositivi sempre più vicino a questo limite teorico. Per superarlo, gli scienziati devono ricorrere a tecniche quantistiche avanzate che utilizzano concetti come la luce compressa, l'evasione del back-action e l'entanglement.
L'entanglement su larga scala: una novità assoluta
L'entanglement quantistico, quelle correlazioni misteriose che Einstein definiva "azione spettrale a distanza", rappresenta uno dei fenomeni più affascinanti che separano la fisica classica da quella quantistica. Storicamente, questo fenomeno è stato osservato principalmente in sistemi microscopici, come singoli atomi e fotoni. Il sistema sviluppato al Niels Bohr Institute segna una svolta storica: per la prima volta, utilizza un entanglement su larga scala che coinvolge uno stato di luce multi-fotonico e un grande ensemble di spin atomici.
Questa combinazione insolita di tecniche consente quella che i ricercatori chiamano "compressione dipendente dalla frequenza", una tecnica che riduce dinamicamente il rumore quantistico su un'ampia banda di frequenze. Il professor Eugene Polzik spiega: "Il sensore e il sistema di spin interagiscono con due fasci di luce entangled. Dopo l'interazione, i due fasci vengono rilevati e i segnali rilevati vengono combinati, ottenendo un rilevamento del segnale a banda larga oltre il limite quantistico standard di sensibilità."
Il sistema a "massa negativa" che inverte il rumore
Una caratteristica critica dell'ensemble di spin è la sua capacità di invertire il segno del rumore da positivo a negativo. Questa proprietà particolare porta alla soppressione del rumore quantistico quando il segnale di un sensore viene combinato con il segnale dell'ensemble di spin. È come avere un sistema che non solo riduce il disturbo, ma lo trasforma in qualcosa di utile per migliorare la misurazione.
La luce compressa è caratterizzata da rumore quantistico ridotto o "compresso" oltre il limite quantistico standard. Normalmente, è possibile ridurre tramite compressione il rumore dell'ampiezza o della fase di un'onda luminosa, ma non entrambi simultaneamente. Tuttavia, la riduzione del rumore quantistico su un'ampia gamma di frequenze richiede che la compressione vari dal rumore di ampiezza compresso al rumore di fase compresso a frequenze diverse.
Dalla rivelazione delle onde gravitazionali alla diagnostica medica
Gli approcci convenzionali alla compressione dipendente dalla frequenza spesso richiedono configurazioni ottiche enormi e complesse. I sistemi utilizzati nei rivelatori di onde gravitazionali come LIGO negli Stati Uniti e VIRGO in Italia, ad esempio, impiegano risonatori ottici lunghi 300 metri per ottenere la compressione dipendente dalla frequenza del rumore quantistico. I futuri rivelatori come l'Einstein Telescope, pianificato per la costruzione in Europa, richiederanno risonatori lunghi chilometri per lo stesso scopo.
Il nuovo metodo sviluppato a Copenaghen apre la strada verso prestazioni simili utilizzando un dispositivo delle dimensioni di un tavolo. Questa versatilità dimensionale rappresenta un vantaggio cruciale per l'applicabilità pratica della tecnologia. In ambito biomedico, sensori di questo tipo potrebbero migliorare la risoluzione delle immagini di risonanza magnetica, consentire la rilevazione precoce di disturbi neurologici o aumentare la sensibilità dei biosensori utilizzati nella diagnostica e nel monitoraggio.
Verso nuove frontiere della comunicazione quantistica
Le applicazioni potenziali di questo sistema ibrido si estendono ben oltre il rilevamento. La sua architettura apre nuove possibilità nella comunicazione e nel calcolo quantistico. Potrebbe essere adattato per l'uso in ripetitori quantistici, migliorando i segnali per comunicazioni sicure a lunga distanza, e nelle memorie quantistiche delle reti quantistiche.
I ricercatori hanno anche analizzato come il loro sistema potrebbe migliorare la sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali, permettendoci di rilevare deboli increspature nello spaziotempo - il segnale di eventi violenti nell'universo, come fusioni di buchi neri e collisioni di stelle di neutroni. Una comprensione più profonda delle onde gravitazionali aiuterà anche a comprendere i processi che avvengono durante la formazione dell'universo.
Il sistema dimostra una straordinaria versatilità attraverso molteplici domini della tecnologia quantistica, dalla rilevazione di campi magnetici alla misurazione di accelerazioni microscopiche. La ricerca, pubblicata su Nature, rappresenta un passo significativo verso la democratizzazione delle tecnologie quantistiche avanzate, rendendole accessibili in contesti dove le dimensioni e la complessità rappresentavano finora barriere insormontabili.