La fisica quantistica ha appena compiuto un balzo in avanti che ricorda i momenti più rivoluzionari della scienza moderna. Un team di ricercatori dell'Università dell'Arizona, guidato dal professor Mohammed Hassan, è riuscito per la prima volta nella storia a catturare e controllare l'incertezza quantistica in tempo reale, utilizzando impulsi di luce della durata di femtosecondi - ovvero miliardesimi di milionesimi di secondo. Questa scoperta, pubblicata sulla prestigiosa rivista Light: Science & Applications, promette di aprire scenari inediti nel campo delle comunicazioni sicure e dello sviluppo dell'ottica quantistica ultraveloce.
Il fenomeno della "luce compressa" spiegato in termini semplici
Il cuore di questa rivoluzione tecnologica risiede in quello che gli scienziati chiamano "luce compressa" o "squeezed light". Per comprendere questo concetto, Hassan utilizza una metafora efficace: immaginare un palloncino pieno d'aria. Nella fisica quantistica, la luce possiede due proprietà interconnesse che corrispondono approssimativamente alla posizione e all'intensità di una particella, ma che non possono mai essere conosciute con precisione assoluta - questo è il principio di indeterminazione quantistica.
"La luce ordinaria è come un palloncino rotondo, con l'incertezza distribuita uniformemente tra le due misurazioni", spiega Hassan. "La luce compressa, invece, si allunga assumendo una forma ovale, dove una proprietà diventa più silenziosa e precisa, mentre l'altra diventa più rumorosa". Questo principio trova già applicazioni concrete nei rivelatori di onde gravitazionali, che sfruttano la luce compressa per filtrare il rumore di fondo e identificare le deboli increspature nello spaziotempo causate da corpi celesti distanti.
L'innovazione che cambia tutto: dai millisecondi ai femtosecondi
Fino ad oggi, le applicazioni della luce compressa si basavano su impulsi laser della durata di millisecondi. L'intuizione rivoluzionaria di Hassan è stata quella di esplorare la possibilità di generare luce compressa con impulsi ultraveloci misurati in femtosecondi. "Creare luce quantistica con impulsi laser ultraveloci rappresenterebbe un passo rivoluzionario, la prima vera implementazione che combina ottica quantistica e scienza ultraveloce", afferma il ricercatore.
La sfida tecnica principale consisteva nel sincronizzare laser di colori diversi, operazione che normalmente richiede configurazioni estremamente complesse. Il team di Hassan ha sviluppato un metodo innovativo per produrre raffiche di luce estremamente brevi utilizzando un processo già noto chiamato four-wave mixing, nel quale diverse sorgenti luminose interagiscono e si combinano tra loro.
La tecnica che apre nuovi orizzonti
Basandosi sui precedenti lavori di Hassan con gli impulsi ultraveloci, il team ha suddiviso un laser in tre fasci identici, focalizzandoli su silice fusa per produrre luce compressa ultraveloce. A differenza degli approcci precedenti che riducevano l'incertezza nella fase di un fotone (la sua posizione all'interno di una forma d'onda rispetto alla lunghezza d'onda), il gruppo di Hassan ha invece compresso l'intensità del fotone, dimostrando la capacità di oscillare tra compressione dell'intensità e della fase regolando la posizione della silice rispetto al fascio diviso.
Il meccanismo di controllo si basa su un principio sorprendentemente elegante: quando la silice è perpendicolare, tutti i fotoni arrivano insieme. Regolando leggermente l'angolo di incidenza, un fotone arriva dopo l'altro. Questo piccolo cambiamento è ciò che controlla la compressione. "Si tratta della prima dimostrazione in assoluto di luce compressa ultraveloce, e della prima misurazione e controllo in tempo reale dell'incertezza quantistica", sottolinea Hassan.
Applicazioni rivoluzionarie nelle comunicazioni sicure
Le implicazioni pratiche di questa scoperta sono già evidenti nel campo delle comunicazioni sicure. Mentre in precedenza gli impulsi di luce ultraveloci e compressi erano stati utilizzati separatamente per trasmettere dati binari, la loro combinazione potenzia sia la velocità che la sicurezza. Il vantaggio è duplice: se qualcuno intercetta dati inviati con luce quantistica, la rete rileva immediatamente l'intrusione, ma utilizzando il metodo di Hassan, un intercettatore non solo disturba lo stato quantistico, ma deve anche conoscere sia la chiave di decodifica che l'ampiezza esatta dell'impulso.
"La loro interferenza influisce sulla compressione dell'ampiezza, il che significa che non possono determinare l'incertezza corretta, e qualsiasi dato decodificato risulta impreciso", spiega Hassan. Oltre alle comunicazioni sicure, il ricercatore spera che la luce quantistica ultraveloce farà progredire il rilevamento quantistico, la chimica e la biologia, portando a diagnostiche più precise, nuovi metodi di scoperta di farmaci e rivelatori ultrasensibili per il monitoraggio ambientale.
Un team internazionale per una scoperta globale
Hassan ha lavorato insieme a Mohamed Sennary, studente di dottorato in ottica e fisica e primo autore dell'articolo, Mohammed ElKabbash, professore assistente di scienze ottiche, e collaboratori del Barcelona Institute of Science and Technology, della Ludwig Maximilian University di Monaco e della Catalan Institution for Research and Advanced Studies. Questa collaborazione internazionale sottolinea come la ricerca di frontiera richieda sempre più spesso l'unione di competenze diverse e complementari per affrontare le sfide più complesse della scienza moderna.
