Ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, affiancato da un collega dell'Argonne National Laboratory, NOI., hanno implementato un algoritmo quantistico avanzato per misurare quantità fisiche utilizzando semplici strumenti ottici. Pubblicato in Rapporti scientifici , il loro studio ci porta un passo più vicino a sensori basati su ottica lineare a prezzi accessibili con caratteristiche ad alte prestazioni. Tali strumenti sono ricercati in diversi campi di ricerca, dall'astronomia alla biologia.

Massimizzare la sensibilità degli strumenti di misurazione è fondamentale per qualsiasi campo della scienza e della tecnologia. Gli astronomi cercano di rilevare fenomeni cosmici remoti, i biologi hanno bisogno di discernere strutture organiche estremamente piccole, e gli ingegneri devono misurare le posizioni e le velocità degli oggetti, per citare alcuni esempi.

Fino a poco tempo fa, nessuno strumento di misurazione potrebbe garantire una precisione al di sopra del cosiddetto limite del rumore di sparo, che ha a che fare con le caratteristiche statistiche inerenti alle osservazioni classiche. La tecnologia quantistica ha fornito un modo per aggirare questo, aumentando la precisione al limite fondamentale di Heisenberg, derivanti dai principi di base della meccanica quantistica. L'esperimento LIGO, che ha rilevato le onde gravitazionali per la prima volta nel 2016, mostra che è possibile ottenere una sensibilità limitata a Heisenberg combinando complessi schemi di interferenza ottica e tecniche quantistiche.

La metrologia quantistica è un'area all'avanguardia della fisica che si occupa degli strumenti tecnologici e algoritmici per effettuare misurazioni quantistiche altamente precise. Nel loro recente studio, il team del MIPT e dell'ANL ha fuso la metrologia quantistica con l'ottica lineare.

"Abbiamo ideato e costruito uno schema ottico che esegue la procedura di stima di fase basata sulla trasformata di Fourier, " ha affermato il coautore dello studio Nikita Kirsanov del MIPT. "Questa procedura è al centro di molti algoritmi quantistici, compresi protocolli di misurazione ad alta precisione."

Una disposizione specifica di un numero molto elevato di elementi ottici lineari:divisori di fascio, sfasatori, e specchi:consente di ottenere informazioni sugli angoli geometrici, posizioni, velocità e altri parametri di oggetti fisici. La misura prevede la codifica della grandezza di interesse nelle fasi ottiche, che vengono poi determinati direttamente.

"Questa ricerca è il seguito del nostro lavoro sugli algoritmi di misurazione quantistica universali, " ha commentato il principale investigatore Gordey Lesovik, che dirige il Laboratorio MIPT di Fisica delle Tecnologie dell'Informazione Quantistica. "In una precedente collaborazione con un gruppo di ricerca della Aalto University in Finlandia, abbiamo implementato sperimentalmente un algoritmo di misurazione simile sui qubit transmon".

L'esperimento ha mostrato che, nonostante il gran numero di elementi ottici nello schema, è comunque sintonizzabile e controllabile. Secondo le stime teoriche fornite nell'articolo gli strumenti di ottica lineare sono validi per realizzare anche operazioni notevolmente più complesse.

"Lo studio ha dimostrato che l'ottica lineare offre una piattaforma conveniente ed efficace per l'implementazione di misurazioni e calcoli quantistici su scala moderata, ", ha detto il Distinguished Fellow di Argonne Valerii Vinokur.