I buoni vicini spesso condividono le risorse:una tazza di zucchero, sedie a sdraio extra, un set di cavi di collegamento. I ricercatori del campus dell'Università dell'Arizona saranno presto in grado di condividere una risorsa meno comune e molto più preziosa per aiutarli a proseguire la loro ricerca:fotoni entangled, o coppie interconnesse di particelle luminose.

Con circa $ 1,4 milioni di finanziamenti - $ 999, 999 dalla National Science Foundation e circa $ 400, 000 dall'UA-il professor Zheshen Zhang sta guidando la costruzione dello strumento interdisciplinare di ricerca e ingegneria dell'informazione quantistica, noto come Informarsi, presso l'UA. Inquire è il primo strumento di ricerca e formazione condiviso al mondo per aiutare i ricercatori in diversi campi, compresi quelli senza esperienza nella scienza dell'informazione quantistica, a beneficiare delle risorse quantistiche.

Zhang è un assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria e scienze ottiche, e il leader del Quantum Information and Materials Group presso l'UA. I co-investigatori del progetto Inquire includono Ivan Djordjevic, professore di ingegneria elettrica e informatica e scienze ottiche; Jennifer Barton, direttore dell'Istituto BIO5 e professore di ingegneria biomedica, ingegneria dei biosistemi, ingegneria elettrica e informatica, e scienze ottiche; Nasser Peyghambar, professore di scienze ottiche; e Marek Romanowski, professore associato di ingegneria biomedica, e scienza e ingegneria dei materiali.

Una rete di cavi in ​​fibra ottica collegherà un hub di informazioni quantistiche automatizzato nel seminterrato dell'edificio di Ingegneria Elettrica e Informatica ad altri quattro edifici del campus:Biosciences Research Labs, Miniere e Metallurgia, Scienze fisiche e dell'atmosfera, e Meinel Scienze Ottiche.

"Una delle gioie dell'UA è collaborare con i migliori studiosi che lavorano in campi all'avanguardia, " ha detto Barton. "Sembra fantascienza, ma Zheshen sta costruendo una struttura che creerà fotoni con entanglement quantistico, quindi consegnarli tramite fibra ottica a metà del campus, direttamente nella risorsa di bioimmagine traslazionale nell'edificio dei laboratori di ricerca sulle bioscienze."

"Si tratta di un progetto entusiasmante che rappresenta perfettamente alcuni dei temi chiave alla base del nostro piano strategico, " ha dichiarato il presidente dell'UA Robert C. Robbins. "Per essere un leader nella quarta rivoluzione industriale, dobbiamo sfruttare la collaborazione, stare al passo con la curva tecnologica e fornire un ambiente ad alta potenza in cui i ricercatori hanno gli strumenti di cui hanno bisogno per risolvere le grandi sfide del mondo. Non vedo l'ora di vedere le nuove opportunità offerte da questa struttura una volta completata".

La costruzione del progetto è già iniziata. La data di completamento prevista è settembre 2021.

Vedere i singoli fotoni

Proprio come un atomo è la più piccola unità di materia, un fotone è la più piccola unità di luce. Così, mentre possiamo vedere la luce di decine di miliardi di fotoni in una stanza illuminata da una lampada o in un cortile illuminato dal sole, l'occhio umano, e la maggior parte dei microscopi, non possono vedere i singoli fotoni. Ma a volte queste informazioni troppo piccole da vedere possono essere importanti. Per esempio, un laboratorio di ingegneria biomedica potrebbe eseguire uno studio di imaging su una proteina o una molecola organica che emette un segnale troppo debole per essere visto dalle telecamere tradizionali.

"Puoi inviare i tuoi fotoni alla struttura centrale, che è dotato di una serie di fotocamere ultrasensibili in grado di vedere le cose a livello di singolo fotone, " disse Zhang.

Tradizionalmente, i ricercatori hanno utilizzato laser ad alta potenza per illuminare questi campioni biologici, che a volte sono stati danneggiati nel processo. L'utilizzo di fotoni entangled come sorgente di illuminazione fornisce una maggiore sensibilità, minor potere illuminante, e la stessa, o addirittura maggiore, risoluzione.

"Due fotoni entangled possono valere un milione dei loro fratelli classici, potenzialmente permettendoci di immagini più profonde senza danneggiare i tessuti, " ha detto Barton.

Sondaggio ad alta precisione

Questi cavi in ​​fibra ottica sono una strada a doppio senso. I ricercatori possono inviare i loro fotoni nell'hub centrale per essere ripresi dai microscopi ad alta tecnologia, ma il centro può anche condividere fotoni entangled con i laboratori del campus.

I fotoni entangled sono coppie interconnesse. Anche quando sono separati da grandi distanze, tutto ciò che accade a un fotone in una coppia entangled verrà trasferito anche all'altro.

Questa relazione ha diversi usi. Per esempio, i ricercatori possono utilizzare i fotoni come sonde per aiutare a determinare la natura di materiali non identificati. I cambiamenti che un materiale introduce in un fotone, come un cambiamento di colore, fornire indizi sull'identità del materiale. Quando un fotone entangled in una coppia viene utilizzato come sonda, il materiale introduce cambiamenti in entrambi i fotoni nella coppia entangled.

"Ora puoi eseguire una misurazione su entrambi i fotoni per conoscere il campione da sondare, "Ha detto Zhang. "Puoi avere il doppio delle informazioni sul modo in cui il materiale sta influenzando il fotone".

Comunicazioni sicure

I fotoni entangled possono essere utilizzati anche nella comunicazione quantistica, un metodo sicuro di invio e ricezione di dati progettato per impedire l'intercettazione. Funziona così:prima che la parte A condivida qualsiasi informazione sensibile con la parte B, La parte A invia una "chiave quantica, " una serie di fotoni entangled che funge da codice per decifrare trasmissioni future. Le chiavi quantistiche sono progettate in modo tale che l'atto stesso di decifrare o leggere il loro contenuto ne modifichi il contenuto.

Se la chiave quantistica arriva con parti decrittografate, le parti comunicanti sanno di non utilizzare quella parte della chiave per crittografare trasmissioni future, perché è stato "letto" dagli hacker. Le parti comunicanti possono semplicemente ritagliare quella parte della chiave e usarne una nuova, chiave quantistica più corta che sanno essere sicura.

La parte A e la parte B nell'esempio precedente non devono necessariamente essere scienziati dell'informazione quantistica. I ricercatori di tutti i tipi di discipline possono trarre vantaggio dalle caratteristiche uniche dei fotoni entangled, e l'obiettivo di Inquire è consentire proprio questo.

"Questa è un'area chiave che la National Science Foundation identifica come una delle sue 10 grandi idee e vuole davvero portare avanti perché è così interdisciplinare, " Zhang ha detto. "Si tratta di ricercatori attraverso i confini della scienza, ingegneria, informatica, fisica, chimica, matematica, ottica, ovunque. La domanda chiave è "Come possono tutti parlare la stessa lingua, e come possono beneficiare dei progressi compiuti in altri settori?'"