La metrologia quantistica è un'area di ricerca attiva da diversi anni a causa delle sue numerose possibili applicazioni, che vanno dagli orologi atomici all'imaging biologico. Precedenti ricerche di fisica hanno stabilito che avere una sonda non classica, come la luce schiacciata o uno stato di rotazione entangled, possono avere notevoli vantaggi rispetto alle sonde classiche. Questa idea è stata ulteriormente esplorata in diversi lavori recenti, alcuni dei quali hanno anche considerato i vantaggi dell'esame di più campioni distinti con sonde non classiche.

Ispirato da questi studi, i ricercatori dell'Università tecnica della Danimarca e dell'Università di Copenaghen hanno recentemente condotto un esperimento che studia i vantaggi dell'utilizzo di una rete quantistica entangled per rilevare uno sfasamento medio tra più nodi distribuiti. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , introduce una serie di tecniche che potrebbero aiutare a raccogliere misurazioni più precise in una varietà di aree.

"Studi recenti hanno dimostrato che avere correlazioni non classiche tra sonde che si rivolgono a campioni diversi potrebbe portare a un guadagno rispetto ad avere sonde non correlate, "Giovanni Borregaard, il ricercatore che ha avviato il progetto, ha detto a Phys.org. "Questo ci ha ispirato a indagare se tali vantaggi potrebbero essere dimostrati già utilizzando la tecnologia attuale".

Nel loro studio, Borregaard e i suoi colleghi si sono concentrati sulla luce spremuta e sul rilevamento dell'omodina, che sono ormai consolidate tecniche di rilevamento. L'obiettivo generale dell'esperimento era misurare una proprietà globale di più oggetti spazialmente separati e indagare se sondare questi oggetti simultaneamente con la luce entangled ha portato a risultati più precisi rispetto a sondarli individualmente. I ricercatori hanno scoperto che l'uso di una rete quantistica per sondare gli oggetti ha consentito simultaneamente il rilevamento di fase con una precisione molto più elevata di quella ottenibile esaminando le sonde singolarmente.

"In questa particolare manifestazione, volevamo stimare la media di più sfasamenti ottici, "Xueshi Guo, autore principale dell'articolo, ha detto a Phys.org. "Abbiamo misurato gli sfasamenti (che abbiamo impostato con piastre d'onda su un valore noto) inviando un debole raggio laser e rilevando il cambiamento nella quadratura di fase della luce con rilevatori omodina".

Per generare luce aggrovigliata e distribuirla tra diversi siti, i ricercatori hanno utilizzato un metodo abbastanza semplice. Primo, hanno creato uno stato di luce schiacciato dalla fase, che è uno stato quantistico standard non classico. Quindi l'hanno diviso in più fasci usando divisori di fascio.

Ciò ha portato a sonde luminose con rumore ridotto nella quadratura di fase, ma solo quando tutte le sonde sono state misurate contemporaneamente. Questa è precisamente la proprietà richiesta per ottenere un miglior rapporto segnale-rumore nella stima della fase media senza aumentare l'energia (cioè, numero di fotoni) negli stati della sonda.

"Nell'esperimento abbiamo avuto quattro campioni di fase in totale, " ha spiegato Guo. "Il guadagno che può essere ottenuto utilizzando l'entanglement è quindi teoricamente limitato a un fattore di 2. Tuttavia, all'aumentare del numero di campioni, così fa il guadagno ottenibile."

I ricercatori hanno scoperto che il vantaggio dell'utilizzo del rilevamento quantistico distribuito diventa davvero significativo quando si deve misurare una proprietà di molti oggetti collegati in una rete ottica. Per ottenere con successo un aumento della precisione, però, le perdite nella rete e nei rilevatori devono essere mantenute basse, altrimenti il ​​vantaggio quantistico svanisce.

"Il risultato chiave del nostro studio è la dimostrazione sperimentale dei vantaggi associati all'utilizzo dell'entanglement multimodale per il rilevamento distribuito, " Borregaard ha detto. "Precedenti studi teorici avevano previsto tali vantaggi, ma spesso hanno considerato scenari altamente idealizzati e stati di sonda sperimentalmente molto impegnativi o tecniche di rilevamento. Il nostro lavoro conferma che tali vantaggi sono accessibili anche con l'attuale tecnologia rumorosa".

Nel futuro, le tecniche dimostrate da Borregaard, Guo ei loro colleghi potrebbero avere importanti implicazioni per una serie di diverse aree della ricerca e dello sviluppo tecnologico. Ad esempio, potrebbero aiutare a migliorare la sensibilità degli strumenti di tracciamento molecolare, orologi atomici, e tecniche di magnetometria ottica.

Sebbene solo ulteriori indagini determineranno quanto ciascuna di queste applicazioni possa beneficiare dei metodi introdotti dai ricercatori, questo recente studio offre preziose informazioni su come ottenere la metrologia quantistica avanzata utilizzando tecnologie prontamente disponibili, come la generazione di luce compressa e il rilevamento dell'omodina. Nel loro lavoro futuro, i ricercatori intendono continuare a studiare l'uso della luce compressa multimodale in altri contesti, in particolare per applicazioni di calcolo quantistico ottico.

"Nel nostro esperimento, in realtà non abbiamo utilizzato gli stati ottimali della sonda e i metodi di misurazione consentiti dalla teoria quantistica, quindi sarebbe eccitante dimostrare il problema del rilevamento distribuito con quelle risorse, "Jonas S. Neergaard-Nielsen, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Per di più, potrebbe essere interessante distribuire la luce impigliata in posizioni lontane in una rete in fibra installata per mostrare l'applicabilità del sistema nel mondo reale".

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