Al scala atomica e subatomica Esistono comportamenti che hanno un vasto potenziale per migliorare il modo in cui vediamo e interagiamo con il mondo, migliorando le tecnologie attuali e potenzialmente dando origine a nuove. Il vantaggio principale che si ottiene dal campo del rilevamento quantistico è la sua estrema sensibilità e precisione, in grado di catturare i segnali più deboli e misurare su scala molto piccola.
Un magnetometro quantistico su un chip. Credito immagine: Brian Long
Ora, diversi ricercatori dell’UC Santa Barbara sono pronti a mettere in campo la loro esperienza nella scienza quantistica come parte del programma Quantum Sensing Challenges for Transformational Advances in Quantum Systems (QuSeC-TAQS) della National Science Foundation statunitense (NSF). Si uniscono a un gruppo di 18 gruppi di ricerca nelle università degli Stati Uniti, sostenuti da un investimento di 29 milioni di dollari da parte della NSF, per esplorare modi per sfruttare le proprietà infinitesimali e talvolta controintuitive della natura su scala quantistica per creare opportunità su scala umana.
I team riceveranno ciascuno da 1 milione a 2 milioni di dollari in quattro anni per condurre un’ampia gamma di attività di ricerca esplorativa. Gli impatti potenziali sono diversi, dalla capacità di percepire le onde gravitazionali mentre si propagano nello spazio, a un mezzo per osservare le funzioni interne delle cellule viventi.
“Per decenni, l’esplorazione scientifica su scala quantistica ha prodotto scoperte sorprendenti su come funziona il nostro universo – e possibilità allettanti per le tecnologie quantistiche”, ha affermato il direttore della NSF Sethuraman Panchanathan. “Stiamo ora facendo il passo successivo nella ricerca quantistica attraverso questi e altri progetti, che combinano la ricerca fondamentale con potenziali applicazioni che possono avere un impatto positivo sulle nostre vite, sulla nostra prosperità economica e sulla nostra competitività come nazione”.
Un magnetometro ottico quantistico: Galan Moody e Paolo Pintus
Come suggerisce il nome, un magnetometro misura un campo magnetico e così facendo fornisce importanti informazioni sugli obiettivi in relazione a quel campo. Una bussola è un semplice dispositivo di questo tipo, che rivela informazioni sulla direzione rispetto al campo magnetico terrestre. Gli scienziati continuano a sfruttare l’elegante potere di questa tecnologia in un elenco crescente di applicazioni, dall’archeologia all’esplorazione spaziale.
Il professore di ingegneria elettrica e informatica Galan Moody e lo scienziato Paolo Pintus mirano a portare l’alta precisione del rilevamento quantistico nella magnetometria e a costruire il tutto su un chip. Pensiamo a LIGO, l’interferometro laser che nel 2015 ha rilevato le più piccole ondulazioni generate dalle onde gravitazionali originate a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Il team costruirà un analogo esperimento con l’interferometro su un chip semiconduttore che, invece delle onde gravitazionali, può rilevare le più piccole variazioni nei campi magnetici.
“Invece di rilevatori su scala chilometrica, abbiamo rilevatori su scala millimetrica”, ha affermato Pintus, specializzato in ottica integrata. L’interferometro magneto-ottico fotonico integrato da loro proposto non avrebbe precedenti nella sua sensibilità – un miglioramento di 10 volte oltre il limite quantico standard – integrato in un dispositivo compatto ed efficiente dal punto di vista energetico che può essere utilizzato per rilevare minuscoli campi magnetici con applicazioni per la navigazione, le geoscienze e biomedicina e esplorazione spaziale.
La chiave di questo nuovo dispositivo a basso SWaP (dimensioni, peso e potenza) è l’uso della luce quantistica. “Possiamo basarci su decenni di ricerca e sviluppo per realizzare sensori magneto-ottici che non richiedono altra strumentazione ingombrante, rendendoli compatti e portatili”, ha affermato Moody, la cui esperienza risiede nella fotonica quantistica. “Di solito, questi sensori sono alimentati da laser, ma c’è un limite alla loro sensibilità. Invece, utilizzando la luce compressa – un tipo speciale di sorgente luminosa quantistica meno rumorosa di un laser – possiamo andare oltre questo limite”.
L’utilizzo della luce compressa consente misurazioni molto precise della fase delle onde luminose in relazione al target, riducendo al tempo stesso il rumore che potrebbe facilmente oscurare misurazioni ad alta precisione.
Nell’ambito del progetto, e in collaborazione con i partner dell’Università di Cagliari in Italia e la professoressa Caroline Ross del Massachusetts Institute of Technology (MIT), il team intende assumere un ricercatore post-dottorato per assistere nella ricerca e nell’istruzione. Collaboreranno anche con i colleghi della NASA, Luna Innovations e Raytheon.
“Vorremmo anche diffondere la conoscenza sulle scienze quantistiche a un pubblico più ampio”, ha commentato Pintus, “sia per la divulgazione che per le lezioni di insegnamento all’interno dei programmi dell’UCSB e del MIT”. Al MIT, il gruppo di ricerca guidato da Ross si concentrerà sullo sviluppo di materiali che potrebbero ospitare le qualità desiderate di sensibilità e basso consumo energetico, mentre Moody e Pintus lavoreranno rispettivamente sull’incorporamento della luce compressa e sulla fabbricazione del chip vero e proprio, utilizzando quel materiale. .
Nuovi algoritmi quantistici per orologi atomici ottici: Andrew Jayich
Gli orologi atomici ottici sono il gold standard per la misurazione del tempo; la loro capacità di misurare il tempo a intervalli estremamente brevi li rende gli strumenti più precisi mai realizzati. Basandosi sulle oscillazioni della luce alle alte frequenze corrispondenti alle transizioni atomiche, tali orologi “ticchettano” molto più velocemente degli orologi atomici convenzionali, che funzionano alle frequenze delle microonde, e sono pronti a migliorare il cronometraggio e la sincronizzazione in molte applicazioni, consentendone al contempo di nuove.
Per continuare a sviluppare il potenziale di questi orologi ultraprecisi, il professore di fisica dell’UC Santa Barbara Andrew Jayich, insieme a Kenneth Brown (Duke University), Shimon Kolkowitz (UC Berkeley), David Leibrandt (UCLA) e Marianna Safronova (Università del Delaware) mirano a realizzare nuovi algoritmi quantistici per reti di orologi ottici. Questi algoritmi potrebbero consentire l’uso degli orologi ottici come sensori, sfruttando le loro capacità di misurazione eccezionalmente precise per captare i segnali più deboli dall’universo.
“Approssimativamente, gli orologi atomici hanno utilizzato lo stesso algoritmo sin dal loro inizio”, ha affermato Jayich, la cui specialità di ricerca risiede nella misurazione di precisione con atomi e molecole. “E vogliamo esplorare nuove opportunità gestendole con algoritmi più avanzati, basati in gran parte sugli sviluppi della scienza dell’informazione quantistica negli ultimi due decenni”.
Utilizzando strumenti sviluppati per la scienza dell’informazione quantistica, il team intende sviluppare algoritmi per ottimizzare gli orologi atomici ottici per applicazioni di rilevamento. L’obiettivo è massimizzare la sensibilità degli orologi a fenomeni specifici, come le onde gravitazionali o la materia oscura, riducendo al minimo la sensibilità alle fonti di rumore. Il lavoro algoritmico potrebbe anche aiutare a ridurne le dimensioni, il peso e i requisiti di potenza, il che potrebbe aiutare a realizzare orologi ottici trasportabili. Il progetto formerà studenti universitari e laureati e studiosi post-dottorato nella ricerca interdisciplinare all’avanguardia della metrologia quantistica, oltre a sensibilizzare gli studenti delle scuole superiori per introdurli agli orologi ottici e alla misurazione di precisione.
I ricercatori dell’UC Santa Barbara parteciperanno anche a progetti di rilevamento quantistico guidati da altre università, tra cui:
Sensori atomici quantistici compatti e robusti per il cronometraggio e il rilevamento inerziale: Dan Blumenthal
Ciò che rende ideali i sensori quantistici – la loro straordinaria sensibilità – li rende anche vulnerabili al rumore causato dalle temperature e dai campi elettromagnetici. L’illustre professore di ingegneria elettrica e informatica Daniel Blumenthal lavorerà per superare questi ostacoli insieme ai colleghi dell’Università del Wisconsin-Madison (UW-Madison). Guidato dalla professoressa di ingegneria elettrica e informatica dell’UW-Madison Jennifer Choy, il team comprende anche i professori dell’UW Mikhail Kats, Mark Saffman e Swamit Tannu.
Il sensore quantistico preferito? Atomi freddi. Quando gli atomi vengono raffreddati quasi allo zero assoluto, assumono determinate proprietà quantistiche; La sfida per il team è quella di abilitare sensori per atomi freddi che non siano solo compatti, ma anche portatili e resistenti all’ambiente, utilizzando tecnologie di integrazione fotonica sviluppate nel laboratorio Blumenthal dell’UCSB.
“Siamo entusiasti di applicare a questa ricerca la nostra piattaforma all’avanguardia di integrazione fotonica del nitruro di silicio a bassissima perdita”, ha affermato Blumenthal, la cui esperienza risiede nella fotonica ad alte prestazioni della luce visibile, nei laser a larghezza di linea ultra-stretta e nell’integrazione di atomi freddi e sistemi di rilevamento e calcolo quantistici. “Nel nostro laboratorio applicheremo la nostra piattaforma gratuita di nitruro di silicio compatibile con la fonderia di semiconduttori a ossido di metallo (CMOS) per progettare, fabbricare e testare laser con larghezza di linea ultra-stretta, cavità di riferimento su chip e circuiti fotonici per il raffreddamento e l’intrappolamento degli atomi di rubidio e dimostrare le funzioni necessarie per miniaturizzare un interferometro con atomi di rubidio freddo inerzialmente sensibile. Ci baseremo sulla nostra recente dimostrazione di successo dell’integrazione fotonica per la generazione di atomi di rubidio freddi in a Trappola magneto-ottica tridimensionale (3DMOT).”
Per miniaturizzare questi sistemi e renderli più robusti, il team prevede di sviluppare e integrare una serie di hardware e algoritmi su scala di chip fotonici, comprendente un “toolkit per sensori quantistici” che include laser e ottica, algoritmi quantistici ottimizzati per la fusione e le calibrazioni dei sensori, e sfruttamento ottimale dell’entanglement quantistico.
Questi sensori potrebbero essere utilizzati in dispositivi portatili come accelerometri e orologi atomici che potrebbero essere utilizzati per effettuare misurazioni in condizioni difficili, come lo spazio o i poli, e che potrebbero guidare i veicoli dove il GPS non è disponibile.
Piattaforma di rilevamento quantistico per l’analisi biomolecolare: Ania Jayich
L’affascinante e formidabile potere del rilevamento quantistico sta per essere trasformato in un mondo altrettanto affascinante e formidabile: i nostri corpi. Per fare ciò, la fisica Ania Jayich metterà a frutto la sua esperienza nel campo dei centri di azoto vacante nei diamanti insieme ai colleghi dell’Università di Chicago, dell’Università di Washington (UW) e dell’UCLA. L’obiettivo? Una piattaforma di rilevamento quantistico per l’analisi biomolecolare.
Un centro di azoto vacante è una posizione in un reticolo di carbonio altrimenti perfetto nel diamante che consiste in un atomo di azoto accanto a un punto vuoto. Questo difetto puntuale funge da minuscolo sensore dal quale i ricercatori possono osservare comportamenti atomici e subatomici altrettanto piccoli che vengono attivati in risposta alle condizioni target nelle cellule.
“Un biosensore quantistico fornirebbe occhi più precisi sulla struttura interna e sulla dinamica delle biomolecole, inaugurando una nuova generazione di test biologici-molecolari in grado di rilevare proteine a concentrazioni ben al di sotto dei limiti attuali”, ha affermato Jayich, la cui ricerca prevede l’imaging di effetti quantistici su scala nanometrica. Guidato dal professore di ingegneria molecolare dell’UChicago Peter Maurer, il team, composto anche da Karoly Holczer (UCLA), Stefan Stoll (UW) e Alexander High (UChicago), mira a sviluppare una piattaforma in grado di monitorare la concentrazione di migliaia di proteine nel sangue e distinguere tra la moltitudine di eventi di legame proteico. In tal modo, potrebbero aprire la strada alla capacità di prevedere le malattie prima della loro manifestazione clinica.
Jayich lavorerà allo sviluppo di sensori che mostrino la necessaria coerenza quantistica quando posizionati in prossimità di campioni biologici bersaglio. In particolare, si concentrerà sull’esplorazione di sensori multipli interagenti ed entangled per raggiungere la sensibilità e la risoluzione spaziale necessarie per il delicato compito di rilevare proteine a concentrazioni minuscole.
Fonte: UCSB
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
