La tomografia a spin nucleare è un'applicazione in medicina. Il paziente assorbe e riemette radiazioni elettromagnetiche in tutte le direzioni, che viene rilevato e ricostruito come immagini 3-D o immagini di sezioni 2-D. In un laboratorio di scienze fondamentali, La tomografia a stato quantistico è il processo di caratterizzazione completa dello stato quantistico di un oggetto così come viene emesso dalla sua sorgente, prima che avvenga una possibile misurazione o interazione con l'ambiente.

Questa tecnica è diventata uno strumento essenziale nel campo emergente delle tecnologie quantistiche. Il quadro teorico della tomografia a stato quantistico risale agli anni '70. Le sue implementazioni sperimentali sono oggigiorno eseguite di routine in un'ampia varietà di sistemi quantistici. Il principio di base della tomografia a stato quantistico consiste nell'eseguire ripetutamente misurazioni da diverse direzioni spaziali sui sistemi quantistici al fine di identificare in modo univoco lo stato quantistico del sistema. Ciò richiede molta post-elaborazione computazionale dei dati misurati per dedurre lo stato quantistico iniziale dai risultati della misurazione osservati.

Di conseguenza, nel 2011, un romanzo, è stato stabilito un metodo tomografico più diretto per determinare lo stato quantistico senza la necessità di post-elaborazione. Però, quel nuovo metodo aveva un grosso svantaggio:utilizza misurazioni minimamente inquietanti, le cosiddette misurazioni deboli, per determinare lo stato quantistico del sistema. L'idea alla base delle misurazioni deboli è quella di ottenere pochissime informazioni sul sistema osservato mantenendo trascurabile il disturbo del processo di misurazione. Generalmente, effettuare una misurazione ha un enorme impatto su un sistema quantistico, causando la scomparsa irreparabile di fenomeni quantistici come l'entanglement o l'interferenza.

Poiché la quantità di informazioni ottenute tramite questa procedura è molto ridotta, le misurazioni devono essere ripetute più volte, un enorme svantaggio di questa procedura di misurazione nelle applicazioni pratiche. Un gruppo di ricerca dell'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien guidato da Stephan Sponar è riuscito a combinare questi due metodi. "Siamo stati in grado di sviluppare ulteriormente il metodo stabilito in modo che la necessità di misurazioni deboli diventi obsoleta. Pertanto, siamo stati in grado di integrare il solito, le cosiddette misurazioni forti, nella procedura di misura diretta dello stato quantistico. Di conseguenza, è possibile determinare lo stato quantistico con maggiore precisione e accuratezza in un tempo molto più breve rispetto all'approccio con misurazioni deboli:un enorme progresso, ", spiega Tobias Denkmayr, il primo autore dell'articolo. Questi risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Interferometria neutronica:il nuovo metodo di scelta

Un test sperimentale del nuovo schema in un esperimento interferometrico di neutroni è stato effettuato da Sponar e dal suo team. Si basa sulla natura ondulatoria dei neutroni, che sono massicci costituenti nucleari che formano quasi i due terzi dell'universo. Tuttavia, se sono isolati dal nucleo atomico, ad esempio, nel processo di fissione di un reattore di ricerca, si comportano come onde. Questo fenomeno è solitamente indicato come dualità onda-particella, che viene spiegato nel quadro della meccanica quantistica. All'interno dell'interferometro, un raggio incidente è diviso in due fasci separati da un sottile, piastra di cristallo di silicio perfetta. I raggi viaggiano lungo percorsi diversi nello spazio, e ad un certo punto vengono ricombinati e lasciati interferire. L'esperimento è stato condotto presso la sorgente di neutroni dell'Institut Laue-Langevin (ILL) di Grenoble, dove il gruppo dell'Istituto di Fisica Atomica e Subatomica è responsabile di un porto di raggio permanente.

È importante notare che i risultati non sono limitati al sistema quantistico formato da singoli neutroni, ma sono, infatti, del tutto generale. Perciò, possono essere applicati a molti altri sistemi quantistici come fotoni, ioni intrappolati o qubit superconduttori. I risultati potrebbero avere un grande impatto su come verrà eseguita la stima dello stato quantistico in futuro e potrebbero essere sfruttati nelle tecnologie in rapida evoluzione applicate nella scienza dell'informazione quantistica.