Un accurato orologio analogico tick-tick-tick con una precisione costante e una frequenza ben nota:un tick al secondo. Più a lungo lo lasci ticchettare, meglio testare la sua accuratezza —10 volte il tempo corrisponde a un miglioramento di dieci volte in qualsiasi incertezza di frequenza. Ma c'è un modo più veloce per determinare una frequenza?

Si scopre che c'è, in una nuova scoperta pubblicata questa settimana in Lettere di revisione fisica da una collaborazione tra un professore della Washington University di St. Louis e uno studente laureato insieme a un ricercatore dell'Università di Rochester.

L'accelerazione nella misurazione della frequenza deriva dalla meccanica quantistica. Quando un bit quantistico viene utilizzato per misurare la frequenza di un segnale, le strane regole della meccanica quantistica consentono alla misurazione della frequenza di essere molto più accurata. La tecnica si basa sulla capacità di mettere il bit quantistico in una sovrapposizione dei suoi due stati quantistici, e quindi spostare questi stati a tempo con il segnale.

Kate Murch, assistente professore di fisica in arti e scienze, insieme allo studente laureato Mahdi Naghiloo e al collaboratore teorico Andrew Jordan di Rochester hanno descritto la tecnica come un "trucco di magia quantistica".

"Ricorda i trucchi di magia che coinvolgono una palla posta sotto una delle due tazze e le tazze vengono mescolate, tranne che questa volta, la palla può essere sotto entrambe le coppe contemporaneamente, Murch ha detto. "L'accelerazione risultante nella misurazione della frequenza è sorprendente. Ora, misurando per 10 volte più a lungo, l'incertezza di frequenza può essere ridotta di un fattore 100, consentendo una migliore risoluzione della frequenza rispetto a qualsiasi altra tecnica del genere. Il precedente lavoro teorico pubblicato dal gruppo Jordan quest'anno ha dimostrato in due articoli separati che la tecnica applicata in questo articolo è l'optimum teorico consentito dalla meccanica quantistica".

L'esperimento è stato completato utilizzando un sistema quantistico superconduttore in cui un segnale oscillante esterno con frequenza sconosciuta ha fatto sì che il sistema quantistico subisse cambiamenti periodici. Applicando impulsi quantistici al di sopra del segnale oscillante, lo stato del sistema poteva essere controllato in modo che la lettura finale del sistema quantistico diventasse altamente sensibile al valore preciso della frequenza di oscillazione. La fonte fisica sottostante del vantaggio è legata al fatto che l'energia del sistema quantistico è dipendente dal tempo, che fa sì che gli stati quantistici corrispondenti a diverse frequenze si accelerino l'uno dall'altro, dando maggiore distinguibilità in un dato momento.

Questo metodo ha permesso una migliore risoluzione della frequenza rispetto a qualsiasi altra tecnica del suo genere, ha detto Giordano.

Questo lavoro è solo un esempio di come il nuovo campo delle tecnologie quantistiche utilizzi le leggi della fisica quantistica per ottenere vantaggi tecnologici rispetto alla fisica classica, ha detto Giordano. Altri esempi includono l'informatica quantistica, rilevamento quantistico e simulazione quantistica. Per quei campi, lo sfruttamento della fisica quantistica offre vantaggi come l'accelerazione della ricerca nel database, la fattorizzazione di grandi numeri o la rapida simulazione di molecole complesse.

Tale misurazione su scala fine della frequenza di un segnale periodico è l'ingrediente fondamentale in diverse applicazioni, compresi i dispositivi di imaging medico MRI, l'analisi della luce emessa dalle stelle e, Certo, precisione dell'orologio Accelerare queste misurazioni in un modo che Murch e Jordan hanno dimostrato potrebbe avere impatti profondi in molte aree.

Murch e Naghiloo hanno usato il cronometraggio e il GPS, e tali tecnologie in costante progresso, come esempi dell'importanza delle loro scoperte.

"Oggi, la maggior parte di noi porta in tasca un telefono in grado di dirci quasi esattamente dove siamo sulla Terra utilizzando il Global Positioning System, " ha detto Murch. "Il modo in cui funziona è che il telefono riceve segnali da diversi satelliti, e cronometrando l'arrivo relativo di questi segnali deduce la tua posizione. L'accuratezza dei tempi è direttamente correlata all'accuratezza della tua posizione, una relazione tra il cronometraggio e la navigazione che persiste da centinaia di anni.

"Bene prima del GPS, un marinaio che volesse conoscere la sua posizione navigherebbe tra le stelle. Nell'emisfero settentrionale, l'altezza della stella polare ti dirà la tua latitudine, ma per conoscere la tua longitudine, è necessario tenere traccia del tempo. Mentre la notte va avanti, le stelle girano intorno alla stella polare:l'altezza di ogni stella sopra l'orizzonte è correlata all'ora locale, e confrontando quest'ora con un orologio impostato sull'ora di Greenwich, la differenza di fuso orario dà la tua longitudine."

Il cronometraggio nautico sottolinea la vitalità degli avanzamenti di frequenza.

"Nel 1700, orologi precisi erano la principale limitazione alla navigazione oceanica, Murch ha detto. "Il disastro navale di Scilly del 1707, uno dei peggiori disastri della storia navale britannica, è stato ampiamente attribuito alla scarsa navigazione, spingendo il governo britannico a investire pesantemente in orologi precisi. I cronometri risultanti trasformarono la navigazione marittima e accelerarono notevolmente l'era delle scoperte.

"I progressi nel cronometraggio continuano ad avere un profondo impatto sulla tecnologia e sulla scienza fondamentale. Strumenti quantistici, come l'accelerazione quantistica nella misurazione della frequenza che abbiamo scoperto, sono necessarie per portare avanti queste tecnologie. Questo è un momento entusiasmante per la fisica quantistica perché queste risorse quantistiche stanno portando sempre più vantaggi pratici rispetto agli approcci di misurazione tradizionali".