Per secoli, gli umani hanno ampliato la loro comprensione del mondo attraverso misurazioni sempre più precise della luce e della materia. Oggi, i sensori quantistici ottengono risultati estremamente accurati. Un esempio di ciò è lo sviluppo di orologi atomici, che non dovrebbero né guadagnare né perdere più di un secondo in trenta miliardi di anni. Le onde gravitazionali sono state rilevate anche tramite sensori quantistici, in questo caso utilizzando interferometri ottici.

I sensori quantistici possono raggiungere sensibilità impossibili secondo le leggi della fisica convenzionale che governano la vita quotidiana. Quei livelli di sensibilità possono essere raggiunti solo se si entra nel mondo della meccanica quantistica con le sue affascinanti proprietà, come il fenomeno della sovrapposizione, dove gli oggetti possono trovarsi in due posti contemporaneamente e dove un atomo può avere due diversi livelli di energia allo stesso tempo.

Sia la generazione che il controllo di tali stati non classici sono estremamente complessi. A causa dell'elevato livello di sensibilità richiesto, queste misurazioni sono soggette a interferenze esterne. Per di più, gli stati non classici devono essere adattati ad uno specifico parametro di misura. "Sfortunatamente, questo spesso si traduce in una maggiore imprecisione per quanto riguarda altri parametri di misurazione rilevanti", dice Fabian Wolf, descrivendo la sfida. Questo concetto è strettamente legato al principio di indeterminazione di Heisenberg. Wolf fa parte di un team di ricercatori della Leibniz University di Hannover, Physikalisch-Technische Bundesanstalt a Braunschweig, e l'Istituto Nazionale di Ottica di Firenze. Il team ha introdotto un metodo basato su uno stato non classico adattato a due parametri di misurazione contemporaneamente.

L'esperimento può essere visualizzato come la versione quantomeccanica di un semplice pendolo. In questo caso, i parametri di misura adattati sono lo spostamento massimo del pendolo (ampiezza) e il numero di oscillazioni al secondo (frequenza). Il pendolo comprende un singolo ione magnesio incorporato in una "trappola ionica". Attraverso interazioni di luce laser, i ricercatori sono stati in grado di raffreddare lo ione magnesio allo stato fondamentale di un sistema meccanico quantistico, lo stato più freddo raggiungibile. Da li, hanno generato uno "stato di Fock" del movimento e hanno fatto oscillare il pendolo del singolo atomo usando una forza esterna. Ciò ha permesso loro di misurare l'ampiezza e la frequenza con una sensibilità ineguagliata da un pendolo convenzionale. A differenza degli esperimenti precedenti, questo è stato il caso per entrambi i parametri di misurazione senza dover regolare lo stato non classico.

Utilizzando questo nuovo approccio, il team ha ridotto della metà il tempo di misurazione mentre la risoluzione è rimasta costante o ha raddoppiato la risoluzione con un tempo di misurazione costante. L'alta risoluzione è particolarmente importante per le tecniche di spettroscopia basate sul cambiamento dello stato del movimento. In questo caso particolare, i ricercatori intendono analizzare i singoli ioni molecolari tramite irradiazione laser al fine di stimolare il movimento molecolare. La nuova procedura consentirà loro di analizzare lo stato della molecola prima che venga interrotta da un'irradiazione laser troppo intensa. "Per esempio, misurazioni di precisione delle molecole potrebbero rivelare interazioni tra materia convenzionale e oscura, che sarebbe un grande contributo per risolvere uno dei più grandi misteri della fisica contemporanea", dice Fabian Wolf. Il concetto di misura, che i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta, potrebbe anche migliorare la risoluzione negli interferometri ottici come i rilevatori di onde gravitazionali, fornendo così informazioni più approfondite sugli albori dell'universo.