Scienziati superano la sensibilità della misurazione quantistica
Ricercatori all'avanguardia in Europa hanno fatto ciò che nessuno era mai riuscito a fare prima: superare il limite della sensibilità di una misurazione quantistica. Questo risultato potrebbe giocare un ruolo chiave in interferometria e nei limiti quantistici della misurazione. Presentata nella rivista Nature, la ricerca è stata in parte finanziata dal progetto EMALI ("Engineering, manipulation and characterization of quantum states of matter and light"), che ha ottenuto una borsa dei Network di formazione alla ricerca Marie Curie del valore di oltre 439.000 euro nell'ambito del Sesto programma quadro (6° PQ) dell'UE, per sviluppare tecniche teoriche generali e sperimentali per lingegneria, la manipolazione e la caratterizzazione degli stati quantici della materia e della luce. L'interferometria usa il principio di sovrapposizione quantistica che permette alle particelle quantistiche di prendere simultaneamente un certo numero di traiettorie. Questo permette loro di rilevare minuscole differenze nelle traiettorie. Grazie a questo recente studio, le interazioni tra le particelle possono essere usate per creare interferometri più sensibili. Mario Napolitano, autore principale e dottorando presso l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) a Barcellona, in Spagna, e i suoi colleghi, hanno usato dei fotoni interagenti per esaminare un complesso atomico, ottenendo in realtà una sensibilità che supera un limite fondamentale, il cosiddetto limite di Heisenberg, ciò che gli esperti descrivono come il limite estremo per vari tipi di misurazioni, tra cui l'imaging magnetico e i rivelatori di onde. "Gli strumenti più precisi sono di natura interferometrica e operano secondo le leggi della meccanica quantistica," scrivono gli autori su Nature. "Una raccolta di particelle, ad esempio fotoni o atomi, è preparata in uno stato di sovrapposizione e può evolversi sotto l'azione di un operatore hamiltoniano contenente un parametro sconosciuto, X, ed è misurata in accordo con la teoria della misurazione quantistica. La complementarità delle misurazioni quantistiche determina la sensibilità finale di questi strumenti." La fisica quantistica afferma che secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, alcune coppie di proprietà fisiche, come la posizione e il momento, non possono essere entrambe conosciute con precisione arbitraria; quanto più precisamente è conosciuta una proprietà, tanto meno precisamente può essere conosciuta l'altra. In base alla loro scoperta, le interazioni inter-particelle potrebbero essere usate nella metrologia quantistica. Poiché esistono alcune limitazioni all'atto della misurazione in fisica quantistica, raggiungere una certa sensibilità diventa un processo complesso. Secondo gli esperti, in una misurazione che riguarda l'interferenza quantistica tra N particelle campione, la sensibilità migliora al crescere di N, aumentando di 1/N1/2 se le particelle sono indipendenti, e di 1/N (il limite di Heisenberg) se esse sono meccanicamente-quantisticamente "entangled". Alcuni scienziati hanno recentemente suggerito che migliorare la sensibilità è possibile se le particelle interagiscono tra loro. Fondamentalmente, il modo in cui una particella si comporta dipende dalle presenza delle altre. In questo studio, i ricercatori hanno sviluppato un sistema per ottenere questo scaling "super-Heisenberg". Il team ha usato effetti ottici non lineari in un complesso di atomi freddi per produrre interazioni tra i fotoni usati per esaminare la magnetizzazione del complesso. La misurazione ha dimostrato uno scaling migliorato al di là del limite di Heisenberg, che oltrepassa l'interferometro convenzionale per un fattore di 10. "Il nostro lavoro mostra che le interazioni inter-particelle possono migliorare la sensibilità in una misurazione limitata quantisticamente, e hanno dimostrato sperimentalmente una nuova risorsa per la metrologia quantistica," concludono gli autori.Per maggiori informazioni, visitare: Institut de Ciències Fotòniques (ICFO): http://www.icfo.es/ Nature: http://www.nature.com/
Paesi
Spagna, Francia