Il trucco per creare un sensore quantistico migliore? Basta dargli una piccola stretta.
Per la prima volta in assoluto, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata “quantum squeezing” per migliorare le prestazioni di rilevamento del gas di dispositivi noti come laser a pettine di frequenza ottica. Questi sensori ultra precisi sono come scanner di impronte digitali per molecole di gas. Gli scienziati li hanno utilizzati per individuare perdite di metano nell’aria sopra le operazioni di petrolio e gas e segni di infezioni da COVID-19 nei campioni di respiro umano.
Ora, in una serie di esperimenti di laboratorio, i ricercatori hanno tracciato un percorso per rendere questo tipo di misurazioni ancora più sensibili e veloci, raddoppiando la velocità dei rilevatori a pettine di frequenza. Il lavoro è una collaborazione tra Scott Diddams presso CU Boulder Boulder e Jérôme Genest presso l’Université Laval in Canada.
“Supponiamo che ti trovi in una situazione in cui hai bisogno di rilevare piccole quantità di una fuga di gas pericolosa in una fabbrica”, ha detto Diddams, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Informatica ed Energetica. “Richiedere solo 10 minuti rispetto a 20 minuti può fare una grande differenza nel garantire la sicurezza delle persone.”
Lui e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati il 16 gennaio sulla rivista Scienza. Daniel Herman, ricercatore post-dottorato presso l’ECEE, ha condotto lo studio.
Mentre i laser normali emettono luce in un solo colore, i laser a pettine di frequenza inviano impulsi da migliaia a milioni di colori, tutti allo stesso tempo. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato comuni fibre ottiche per manipolare con precisione gli impulsi provenienti da quei laser. Sono riusciti a “spremere” quella luce, rendendo alcune delle sue proprietà più precise e altre un po’ più casuali.
La ricerca, in altre parole, rappresenta una vittoria su alcune delle casualità e fluttuazioni naturali che esistono nell’universo su scala molto piccola.
“Vincere l’incertezza quantistica è difficile, e non è gratis”, ha detto Diddams. “Ma questo è un passo davvero importante per un nuovo e potente tipo di sensori quantistici.”
Litigio tra fotoni
I risultati rappresentano l’ultimo passo nell’evoluzione dei pettini di frequenza, una tecnologia nata al JILA, un istituto di ricerca congiunto tra CU Boulder e il National Institute of Standards and Technology (NIST). Diddams faceva parte di un team guidato da Jan Hall della JILA che per primo ha sperimentato i laser a pettine di frequenza alla fine degli anni ’90. Hall vinse il Premio Nobel per la fisica per questo lavoro nel 2005.
Mentre questi impulsi laser viaggiano attraverso l’atmosfera, ad esempio, le molecole che si trovano lungo il percorso assorbiranno determinati colori della luce, ma non altri. Gli scienziati possono identificare cosa c’è nell’aria in base a quali colori mancano dalla luce laser. Immaginatelo un po’ come un pettine per capelli che ha perso alcuni denti: da qui il nome.
Ma queste misurazioni comportano anche incertezze intrinseche, ha detto Diddams.
La luce, ha osservato, è composta da minuscoli pacchetti chiamati fotoni. Anche se i laser possono sembrare ordinati dall’esterno, i loro singoli fotoni lo sono tutt’altro.
“Se stai rilevando questi fotoni, non arrivano a una velocità perfettamente uniforme come uno per nanosecondo”, ha detto Diddams. “Invece, arrivano in orari casuali.”
Il che, a sua volta, crea quella che lui chiama “sfocatura” nei dati che ritornano da un sensore a pettine di frequenza.
Entra nella spremitura quantistica.
Dare la stretta
Nella fisica quantistica, molte proprietà sono accoppiate in modo che la misurazione precisa di una renderà le misurazioni dell’altra meno precise. Un classico esempio è la velocità e la posizione di una piccola particella come un elettrone: puoi sapere dove si trova un elettrone o quanto velocemente si muove, ma mai entrambi contemporaneamente. La compressione è una tecnica che massimizza un tipo di misurazione a scapito dell’altro.
In una serie di esperimenti di laboratorio, Diddams e i suoi colleghi sono riusciti a raggiungere l’obiettivo in un modo sorprendentemente semplice: hanno inviato i loro impulsi di luce a pettine di frequenza attraverso una normale fibra ottica, non così diversa da quella che porta Internet a casa tua.
La struttura della fibra alterava la luce nel modo giusto, così che i fotoni dei laser arrivavano ora a intervalli più regolari. Ma questo aumento di ordine ha avuto un prezzo. È diventato un po’ più difficile misurare la frequenza della luce, o il modo in cui i fotoni oscillavano per produrre colori specifici.
Questo compromesso, tuttavia, ha permesso ai ricercatori di rilevare molecole di gas con molti meno errori rispetto a prima.
Hanno testato l’approccio in laboratorio utilizzando campioni di idrogeno solforato, una molecola comune nelle eruzioni vulcaniche e che odora di uova marce. Il team ha riferito di essere in grado di rilevare quelle molecole circa due volte più velocemente con il suo pettine di frequenza schiacciato rispetto a un dispositivo tradizionale. I ricercatori sono stati anche in grado di ottenere questo effetto su una gamma di luce infrarossa circa 1.000 volte maggiore di quanto gli scienziati avevano realizzato in precedenza.
Il gruppo ha ancora del lavoro da fare prima di poter portare sul campo il suo nuovo sensore.
“Ma i nostri risultati mostrano che siamo più vicini che mai all’applicazione dei pettini di frequenza quantistica in scenari del mondo reale”, ha affermato Herman.
Diddams è d’accordo: “Gli scienziati lo chiamano ‘accelerazione quantistica’”, ha detto. “Siamo stati in grado di manipolare le relazioni fondamentali di incertezza nella meccanica quantistica per misurare qualcosa più velocemente e meglio.”
Altri coautori del nuovo studio della CU Boulder includevano il professor Joshua Combes; gli studenti laureati Molly Kate Kreider, Noah Lordi, Eugene Tsao e Matthew Heyrich; e il ricercatore post-dottorato Alexander Lind. Anche Mathieu Walsh, uno studente laureato presso l’Université Laval, è stato un coautore.
Il lavoro presso CU Boulder è stato sostenuto dalla National Science Foundation degli Stati Uniti attraverso il Quantum Systems through Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE) Quantum Leap Challenge Institute e dall’Office of Naval Research.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
