Nel cuore dei laboratori quantistici di Sydney e Bristol, un team di ricercatori ha appena dimostrato come sia possibile aggirare uno dei principi più famosi della fisica moderna senza infrangerlo. Il principio di indeterminazione di Heisenberg, formulato nel 1927, stabilisce che non è possibile conoscere simultaneamente con precisione illimitata certe coppie di proprietà di una particella, come posizione e quantità di moto. Tuttavia, gli scienziati australiani e britannici hanno trovato un modo per "spostare" questa incertezza quantistica in aree meno critiche, aprendo la strada a sensori di precisione straordinaria per navigazione, medicina e astronomia.
La strategia del palloncino: ridistribuire l'incertezza
La metafora utilizzata dal dottor Tingrei Tan dell'Università di Sydney per spiegare la scoperta è tanto semplice quanto efficace. "Immaginate l'incertezza come l'aria in un palloncino", spiega il ricercatore del Sydney Horizon Fellow. "Non potete rimuoverla senza farlo scoppiare, ma potete comprimerla e spostarla altrove".
Questo è esattamente ciò che il team ha realizzato: hanno reindirizzato l'inevitabile incertezza quantistica verso variazioni grossolane di posizione e quantità di moto, liberando spazio per misurazioni estremamente precise dei dettagli più sottili. La ricerca, pubblicata su Science Advances il 24 settembre, rappresenta la prima dimostrazione sperimentale di una strategia teorizzata nel 2017.
L'orologio con una sola lancetta
Per rendere ancora più comprensibile il concetto, i ricercatori ricorrono all'analogia di un orologio particolare. Considerate un orologio tradizionale con due lancette: quella delle ore e quella dei minuti. Ora immaginate che abbia una sola lancetta.
Se fosse quella delle ore, potreste determinare l'ora esatta e approssimativamente i minuti, ma la lettura dei minuti sarebbe imprecisa. Con la sola lancetta dei minuti, invece, leggereste i minuti con grande precisione ma perdereste il contesto più ampio. Questa misurazione "modulare" sacrifica alcune informazioni globali in cambio di dettagli molto più raffinati.
Dal quantum computing al sensing quantistico
La svolta è arrivata grazie a un approccio tecnologico che il team aveva precedentemente sviluppato per computer quantistici a correzione di errore. "È un elegante trasferimento dal quantum computing al sensing", commenta il professor Nicolas Menicucci della RMIT University, co-autore dello studio.
Gli scienziati di Sydney hanno implementato il protocollo utilizzando le minuscole vibrazioni di uno ione intrappolato, l'equivalente quantistico di un pendolo. L'ione è stato preparato in "stati a griglia", un tipo di stato quantistico originariamente sviluppato per il quantum computing a correzione di errore.
I risultati hanno dimostrato che sia la posizione che la quantità di moto possono essere misurate insieme con una precisione superiore al "limite quantistico standard", il meglio ottenibile usando solo sensori classici. Come sottolinea il dottor Ben Baragiola della RMIT: "Non abbiamo violato il principio di Heisenberg. Il nostro protocollo funziona interamente all'interno della meccanica quantistica".
Applicazioni rivoluzionarie in vista
Le implicazioni pratiche di questa scoperta potrebbero essere rivoluzionarie. I sensori quantistici ultra-precisi potrebbero migliorare drasticamente la navigazione in ambienti dove il GPS non funziona, come nei sottomarini, nelle miniere o nei viaggi spaziali. In campo medico e biologico, potrebbero affinare le tecniche di imaging, mentre in fisica fondamentale potrebbero aprire nuove frontiere nella monitorizzazione di sistemi gravitazionali e materiali.
"Proprio come gli orologi atomici hanno trasformato navigazione e telecomunicazioni, i sensori quantistici con sensibilità estrema potrebbero abilitare industrie completamente nuove", prevede il dottor Christophe Valahu, primo autore dello studio.
Una collaborazione internazionale
Il progetto ha unito sperimentali dell'Università di Sydney con teorici della RMIT, dell'Università di Melbourne, della Macquarie University e dell'Università di Bristol. Questa sinergia internazionale dimostra come la collaborazione possa accelerare il progresso e rafforzare la comunità di ricerca quantistica australiana.
Sebbene ancora in fase di laboratorio, l'esperimento stabilisce un nuovo framework per future tecnologie di sensing mirate alla rilevazione di segnali infinitesimali. Piuttosto che sostituire gli approcci esistenti, aggiunge uno strumento complementare alla cassetta degli attrezzi del sensing quantistico, aprendo possibilità che fino a poco tempo fa sembravano precluse dalle leggi fondamentali della fisica.