I fisici del MIT hanno progettato un "spremiagrumi" quantistico che riduce del 15% il rumore quantistico in un raggio laser in arrivo. È il primo sistema del suo genere a lavorare a temperatura ambiente, rendendolo suscettibile di un compatto, configurazione portatile che può essere aggiunta a esperimenti di alta precisione per migliorare le misurazioni laser in cui il rumore quantistico è un fattore limitante.

Il cuore del nuovo spremiagrumi è una cavità ottica di dimensioni marmoree, alloggiato in una camera a vuoto e contenente due specchi, uno dei quali è più piccolo del diametro di un capello umano. Lo specchio più grande sta fermo mentre l'altro è mobile, sospeso da un cantilever a molla.

La forma e la composizione di questo secondo specchio "nanomeccanico" è la chiave per la capacità del sistema di funzionare a temperatura ambiente. Quando un raggio laser entra nella cavità, rimbalza tra i due specchi. La forza impartita dalla luce fa oscillare lo specchio nanomeccanico avanti e indietro in un modo che consente ai ricercatori di ingegnerizzare la luce che esce dalla cavità per avere speciali proprietà quantistiche.

La luce laser può uscire dal sistema in uno stato schiacciato, che può essere utilizzato per effettuare misurazioni più precise, ad esempio, nella computazione quantistica e nella crittografia, e nel rilevamento delle onde gravitazionali.

"L'importanza del risultato è che si possono progettare questi sistemi meccanici in modo che a temperatura ambiente, possono ancora avere proprietà quantomeccaniche, "dice Nergis Mavalvala, il professore di marmo e capo associato di fisica al MIT. "Questo cambia completamente il gioco in termini di possibilità di utilizzare questi sistemi, non solo nei nostri laboratori, alloggiati in grandi frigoriferi criogenici, ma fuori nel mondo."

Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Fisica della natura . L'autrice principale del documento è Nancy Aggarwal, un ex studente laureato in fisica nel laboratorio LIGO del MIT, ora un postdoc alla Northwestern University. Altri coautori del documento insieme a Mavalvala sono Robert Lanza e Adam Libson al MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe, e Thomas Corbitt della Louisiana State University; e Garrett Cole, David Follman, e Paula Heu di Crystalline Mirror Solutions a Santa Barbara, California.

Un freddo "spettacolo"

Un laser contiene una moltitudine di fotoni che escono in onde sincronizzate per produrre un luminoso, fascio di luce focalizzato. All'interno di questa configurazione ordinata, però, c'è un po' di casualità tra i singoli fotoni di un laser, sotto forma di fluttuazioni quantistiche, noto anche in fisica come "rumore di sparo".

Ad esempio, il numero di fotoni in un laser che arrivano a un rivelatore in un dato momento può fluttuare intorno a un numero medio, in modo quantistico difficile da prevedere. Allo stesso modo, il momento in cui un fotone arriva a un rivelatore, relativo alla sua fase, può anche oscillare intorno a un valore medio.

Entrambi questi valori, il numero e la tempistica dei fotoni di un laser, determinano la precisione con cui i ricercatori possono interpretare le misurazioni laser. Ma secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica, è impossibile misurare contemporaneamente con assoluta certezza sia la posizione (o tempo) che la quantità di moto (o numero) delle particelle.

Gli scienziati aggirano questo vincolo fisico attraverso la compressione quantistica, l'idea che l'incertezza nelle proprietà quantistiche di un laser, in questo caso il numero e la tempistica dei fotoni, può essere rappresentato come un cerchio teorico. Un cerchio perfettamente rotondo simboleggia la stessa incertezza in entrambe le proprietà. Un'ellisse, un cerchio schiacciato, rappresenta un'incertezza minore per una proprietà e un'incertezza maggiore per l'altra, a seconda di come il cerchio, e il rapporto di incertezza nelle proprietà quantistiche di un laser, è manipolato.

Un modo in cui i ricercatori hanno effettuato la spremitura quantistica è attraverso sistemi optomeccanici, progettato con parti, come specchi, che può essere spostato in minima parte dalla luce laser in arrivo. Uno specchio può muoversi a causa della forza applicata su di esso dai fotoni che compongono la luce, e quella forza è proporzionale al numero di fotoni che colpiscono lo specchio in un dato momento. La distanza percorsa dallo specchio in quel momento è collegata alla tempistica dei fotoni che arrivano allo specchio.

Certo, gli scienziati non possono conoscere i valori precisi sia per il numero che per la tempistica dei fotoni in un dato momento, ma attraverso questo tipo di sistema possono stabilire una correlazione tra le due proprietà quantistiche, e quindi ridurre l'incertezza e il rumore quantistico complessivo del laser.

Fino ad ora, la spremitura optomeccanica è stata realizzata in grandi impianti che devono essere alloggiati in congelatori criogenici. È perché, anche a temperatura ambiente, l'energia termica circostante è sufficiente per agire sulle parti mobili dell'impianto, causando un "jitter" che travolge qualsiasi contributo del rumore quantistico. Per schermare dal rumore termico, i ricercatori hanno dovuto raffreddare i sistemi fino a circa 10 Kelvin, o -440 gradi Fahrenheit.

"Nel momento in cui hai bisogno del raffreddamento criogenico, non puoi avere un portatile, spremiagrumi compatto, " Dice Mavalvala. "Questo può essere uno spettacolo, perché non puoi avere uno spremiagrumi che vive in un grande frigorifero, e poi usarlo in un esperimento o in qualche dispositivo che opera sul campo."

Dare una stretta alla luce

Il gruppo, guidato da Aggarwal, ha cercato di progettare un sistema optomeccanico con uno specchio mobile realizzato con materiali che assorbono intrinsecamente pochissima energia termica, in modo che non debbano raffreddare il sistema esternamente. Alla fine hanno progettato un piccolo, Specchio largo 70 micron da strati alternati di arseniuro di gallio e arseniuro di gallio di alluminio. Entrambi i materiali sono cristalli con una struttura atomica molto ordinata che impedisce la fuoriuscita del calore in ingresso.

"I materiali molto disordinati possono facilmente perdere energia perché ci sono molti posti in cui gli elettroni possono urtare e scontrarsi e generare movimento termico, " dice Aggarwal. "Quanto più un materiale ordinato e puro, meno posti ha per perdere o dissipare energia."

Il team ha sospeso questo specchio multistrato con un piccolo, Cantilever lungo 55 micron. Anche lo specchio a sbalzo e multistrato è stato sagomato per assorbire la minima energia termica. Sia lo specchio mobile che il cantilever sono stati fabbricati da Cole e dai suoi colleghi di Crystalline Mirror Solutions, e posto in una cavità con uno specchio stazionario.

Il sistema è stato poi installato in un esperimento laser realizzato dal gruppo di Corbitt alla Louisiana State University, dove i ricercatori hanno effettuato le misurazioni. Con il nuovo spremiagrumi, i ricercatori sono stati in grado di caratterizzare le fluttuazioni quantistiche nel numero di fotoni rispetto alla loro tempistica, mentre il laser rimbalzava e si rifletteva su entrambi gli specchi. Questa caratterizzazione ha permesso al team di identificare e quindi ridurre il rumore quantistico del laser del 15%, producendo una luce "spremuta" più precisa.

Aggarwal ha elaborato un progetto per consentire ai ricercatori di adottare il sistema a qualsiasi lunghezza d'onda della luce laser in arrivo.

"Man mano che gli spremiagrumi optomeccanici diventano più pratici, questo è il lavoro che lo ha iniziato, " dice Mavalvala. "Dimostra che sappiamo come fare queste temperature ambiente, spremitori indipendenti dalla lunghezza d'onda. Man mano che miglioriamo l'esperimento e i materiali, faremo spremiagrumi migliori."