Nuovi strumenti di misurazione quantistica a elevata precisione
Storicamente – ma anche attualmente – l’interferometria è una delle tecniche più efficaci e a maggiore precisione esistenti per la misurazione del tempo, della frequenza e delle forze inerziali. All’interno di un interferometro due onde (luce o materia) generate da una sonda sono sottoposte a un cambiamento di fase che genera effetti di interferenza osservabili. Lo scopo dell’interferometria consiste proprio nella misurazione di questi effetti al fine di ottenere una stima del cambiamento di fase con il minor livello di incertezza possibile. Il progetto QIBEC ha analizzato e sviluppato interferometri ultraprecisi che sfruttano le risorse disponibili nel mondo quantistico. “Negli interferometri quantistici, è possibile inferire con un elevato livello di precisione forze o accelerazioni di piccolissima entità dall’effetto prodotto su uno stato quantistico esotico della materia che prende il nome di condensato di Bose-Einstein (Bose-Einstein Condensate, BEC),” ha spiegato il dott. Augusto Smerzi, coordinatore e promotore del progetto presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), in Italia. “Questo risultato si ottiene raffreddando un gas diluito di una specie atomica idonea fino a raggiungere temperature molto prossime allo zero assoluto.” Mentre gli atomi all’interno di un gas ad alta temperatura si scontrano in modo caotico a velocità estremamente elevate, gli atomi all’interno di un BEC sono decisamente più lenti e presentano un movimento molto più ordinato. Manipolazione dell’entanglement multi-particella Nello specifico, il principale traguardo raggiunto nell’ambito del progetto consisteva nella generazione e nella manipolazione dell’entanglement multi-particella per sistemi massicci con BEC atomici e nella creazione di efficaci interferometri potenziati dall’entanglement per la metrologia e il rilevamento di forze deboli con una “sensibilità al rumore subgranulare (sub-shot)”, che si traduce in prestazioni che superano il classico limite del rumore granulare (shot noise). “Il nostro obiettivo consisteva nel mettere in discussione il punto di vista di un’ampia fetta della comunità BEC, che sostiene che i gas BEC intrappolati non siano poi così utili per la metrologia, a causa di un basso numero atomico e del fenomeno della decoerenza (dephasing) dovuta all’interazione,” ha commentato il dott. Smerzi. “L’utilizzo dei BEC ci ha consentito di adottare nuove tecniche in grado di garantire una riduzione delle fonti di rumore sia tecniche sia di base, come le vibrazioni meccaniche, le fluttuazioni dei campi magnetici e le perdite di atomi.” Il team del progetto ha inoltre dimostrato a livello sperimentale il funzionamento simultaneo degli interferometri per la misurazione di precisione di forze inerziali, gravitazionali ed elettromagnetiche. “Oltre a essere, in linea di principio, in grado di raggiungere una sensibilità di tipo single-shot alle forze comparabile a quella degli interferometri avanzati in caduta libera, il dispositivo di misurazione ottenuto attraverso la diluizione di un BEC su un reticolo ottico controllabile potrebbe offrire la possibilità di gestire l’espansione multipolare (una funzione matematica dipendente dagli angoli, in cui i campi posizionati su punti distanti vengono forniti in termini di fonti in una regione di piccole dimensioni),” ha spiegato il dott. Smerzi. Sebbene il progetto non abbia condotto alla commercializzazione dei risultati né alla presentazione di domande di brevetto (in virtù dell’orientamento scientifico dell’iniziativa), le scoperte del team QIBEC potrebbero fornire l’ispirazione per ulteriori sviluppi futuri. Come ha affermato il dott. Smerzi: “Possiamo immaginare interferometri microscopici intrappolati che potrebbero superare le prestazioni delle controparti atomiche all’avanguardia attraverso l’utilizzo di tempi di misurazione lunghi e di schemi di parallelizzazione, che conducono alla nascita di una nuova generazione di sensori microscopici di forze inerziali.” Il progetto QIBEC, che si è concluso a luglio 2015, ha rivevuto un finanziamento di circa 2 600 000 euro dall’UE.
Parole chiave
QIBEC, BEC, condensato di Bose-Einstein, interferometria, entanglement, rilevamento quantistico, TEF, Tecnologie emergenti e future