Ricercatori dello Schliesser Lab presso l'Istituto Niels Bohr, Università di Copenaghen, hanno spinto la precisione delle misurazioni di forza e posizione in un nuovo regime. Il loro esperimento è il primo a superare il cosiddetto "Limite Quantico Standard, " o SQL, che nasce nelle tecniche ottiche più comuni (e di successo) per misurazioni di posizione ultraprecise. Da più di 50 anni, gli sperimentatori hanno corso per battere l'SQL usando una varietà di tecniche, ma inutilmente. Nel loro recente lavoro, i ricercatori del Niels Bohr Institute hanno fatto il trucco con una semplice modifica dell'approccio standard, che consente la necessaria cancellazione del rumore quantistico nella misurazione. Il risultato e l'esperimento sottostante hanno potenziali implicazioni per le tecniche di astronomia delle onde gravitazionali, così come la microscopia forzata con applicazioni biologiche. Il lavoro è ora pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica, Fisica della natura .

Il problema con il rumore quantistico

Le azioni quantistiche hanno conseguenze quantistiche. Nell'ambito delle misurazioni, questo spesso significa che l'atto stesso di misurare un sistema quantistico lo disturba. Questo effetto è indicato come "backaction, " ed è una conseguenza delle incertezze quantistiche fondamentali, concepito per la prima volta da Werner Heisenberg durante il suo soggiorno presso l'Istituto di Copenaghen di Niels Bohr negli anni '20. In molti casi, questo pone un limite alla precisione che può ottenere una misurazione.

Telescopi per onde gravitazionali come LIGO, l'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro laser, le cui scoperte sono state insignite del premio Nobel per la fisica 2017, far rimbalzare la luce laser su uno specchio per misurarne la posizione, in una configurazione ottica nota come interferometro. L'"imprecisione" di questa misura può essere migliorata aumentando la potenza del laser, ma alla fine i calci casuali dei fotoni laser disturberanno la posizione dello specchio, portando a una misurazione meno sensibile che lascia inosservati oggetti astronomici deboli o distanti. Bilanciando in modo ottimale il rumore di imprecisione e il backaction, si può raggiungere una quantità minima di rumore extra, stabilendo lo "Standard Quantum Limit" (SQL). Questo livello di rumore minimo stabilisce la migliore precisione possibile per qualsiasi interferometro convenzionale.

Per aggirare questo limite, bisogna modificare in qualche modo l'interferometro per evitare queste sorgenti di rumore quantistico. Nei 50 anni dalla fondazione dell'SQL, sono state avanzate diverse proposte, e gli ultimi anni hanno portato diverse dimostrazioni sperimentali di prova di principio. Finora, nessun esperimento ha effettivamente misurato la posizione di un oggetto con una precisione che batte l'SQL. Ma questo è esattamente ciò che il team di Copenhagen ha realizzato, grazie a avanzate tecniche ottiche e nanomeccaniche.

Meglio del gold standard

"L'SQL è una sorta di gold standard per la qualità di una misurazione. Non è nulla che non possa essere fondamentalmente superato, ma per quanto riguarda le misure di forza e posizione, si è rivelato molto difficile. Anche LIGO non c'è ancora. Ma con il nostro sistema abbiamo pensato di avere una possibilità, " spiega il prof. Schliesser, che guidava la squadra. Questo sistema è una piattaforma sperimentale sviluppata nel gruppo di Schliesser negli ultimi anni. Proprio come LIGO, utilizza un interferometro laser per misurare una posizione, in questo caso quello di una membrana in nitruro di silicio ceramico. Pur essendo molto sottili (20 nanometri), la membrana è larga diversi millimetri e facilmente visibile ad occhio nudo. Il "trucco" impiegato dai ricercatori per andare oltre l'SQL consiste nell'effettuare una misurazione speciale della luce riflessa dalla membrana. In questa configurazione, il rivelatore è in grado di misurare contemporaneamente sia l'imprecisione che la reazione inversa in modo tale che queste sorgenti di rumore si annullino a vicenda. In altre parole, ciò che rimane è una misura "pulita".

Un miglioramento del 30% è un'ottima notizia per le applicazioni pratiche

"Una volta che abbiamo saputo che potevamo avvicinarci molto a SQL, le modifiche necessarie per batterlo erano in realtà piuttosto semplici, " spiega il dottor David Mason, un postdoc statunitense a Copenhagen, e autore principale dello studio. "Stiamo usando effetti quantistici che si verificano nella configurazione stessa della misurazione, quindi lo sforzo tecnologico aggiuntivo è in realtà limitato. Questa è una buona notizia per potenziali applicazioni pratiche." Usando questa tecnica, il gruppo dell'NBI è stato in grado di misurare la posizione della loro membrana con una precisione di quasi il 30 percento migliore di quella consentita dall'SQL. Questo segna un momento spartiacque per le misurazioni quantistiche di oggetti meccanici, evidenziando fino a che punto lo stato dell'arte è stato avanzato, e suggerendo un percorso luminoso avanti. I sistemi optomeccanici come quello qui studiato sono pronti a continuare a favorire lo sviluppo di tecniche legate all'astronomia delle onde gravitazionali, pur applicando la loro estrema sensibilità anche in altri ambiti. I dispositivi dello Schliesser Lab vengono già integrati in applicazioni di rilevamento della forza all'avanguardia, dove possono consentire immagini simili alla risonanza magnetica su scala nanometrica, forse l'imaging di singoli virus HI o influenzali.