Gli scienziati hanno scoperto che una proprietà fisica chiamata "negatività quantistica" può essere utilizzata per effettuare misurazioni più precise di qualsiasi cosa, dalle distanze molecolari alle onde gravitazionali.

I ricercatori, dell'Università di Cambridge, Harvard e MIT, hanno dimostrato che le particelle quantistiche possono trasportare una quantità illimitata di informazioni sulle cose con cui hanno interagito. I risultati, riportato sul giornale Comunicazioni sulla natura , potrebbe consentire misurazioni molto più precise e alimentare nuove tecnologie, come microscopi super precisi e computer quantistici.

La metrologia è la scienza delle stime e delle misurazioni. Se ti sei pesato stamattina, hai fatto metrologia. Allo stesso modo in cui si prevede che l'informatica quantistica rivoluzionerà il modo in cui vengono eseguiti i calcoli complicati, metrologia quantistica, usando lo strano comportamento delle particelle subatomiche, può rivoluzionare il modo in cui misuriamo le cose.

Siamo abituati a trattare con probabilità che vanno dallo 0% (non accade mai) al 100% (succede sempre). Per spiegare i risultati del mondo quantistico, tuttavia, il concetto di probabilità deve essere ampliato per includere una cosiddetta quasi-probabilità, che può essere negativo. Questa quasi-probabilità consente di spiegare in un linguaggio matematico intuitivo concetti quantistici come "l'azione spettrale a distanza" di Einstein e la dualità onda-particella. Per esempio, la probabilità che un atomo si trovi in ​​una certa posizione e viaggi con una velocità specifica potrebbe essere un numero negativo, come -5%.

Si dice che un esperimento la cui spiegazione richiede probabilità negative possieda "negatività quantistica". Gli scienziati hanno ora dimostrato che questa negatività quantistica può aiutare a prendere misurazioni più precise.

Tutta la metrologia ha bisogno di sonde, che possono essere semplici bilance o termometri. Nella metrologia allo stato dell'arte, tuttavia, le sonde sono particelle quantistiche, che può essere controllato a livello subatomico. Queste particelle quantistiche sono fatte per interagire con la cosa che viene misurata. Quindi le particelle vengono analizzate da un dispositivo di rilevamento.

In teoria, il maggior numero di particelle sondanti ci sono, più informazioni saranno disponibili per il dispositivo di rilevamento. Ma in pratica, c'è un limite alla velocità con cui i dispositivi di rilevamento possono analizzare le particelle. Lo stesso vale nella vita di tutti i giorni:indossare gli occhiali da sole può filtrare la luce in eccesso e migliorare la vista. Ma c'è un limite a quanto il filtraggio può migliorare la nostra visione:avere occhiali da sole troppo scuri è dannoso.

"Abbiamo adattato gli strumenti dalla teoria dell'informazione standard alle quasi-probabilità e dimostrato che il filtraggio delle particelle quantistiche può condensare l'informazione di un milione di particelle in una, " ha affermato l'autore principale, il dott. David Arvidsson-Shukur del Cavendish Laboratory di Cambridge e Sarah Woodhead Fellow del Girton College. "Ciò significa che i dispositivi di rilevamento possono funzionare alla loro velocità di afflusso ideale mentre ricevono informazioni corrispondenti a tassi molto più elevati. Questo è vietato secondo la teoria della probabilità normale, ma la negatività quantistica lo rende possibile."

Un gruppo sperimentale dell'Università di Toronto ha già iniziato a costruire la tecnologia per utilizzare questi nuovi risultati teorici. Il loro obiettivo è creare un dispositivo quantistico che utilizzi la luce laser a fotone singolo per fornire misurazioni incredibilmente precise dei componenti ottici. Tali misurazioni sono fondamentali per la creazione di nuove tecnologie avanzate, come i computer quantistici fotonici.

"La nostra scoperta apre nuovi entusiasmanti modi per utilizzare i fenomeni quantistici fondamentali nelle applicazioni del mondo reale, " ha detto Arvidsson-Shukur.

La metrologia quantistica può migliorare le misurazioni di cose tra cui distanze, angoli, temperature e campi magnetici. Queste misurazioni più precise possono portare a tecnologie migliori e più veloci, ma anche migliori risorse per sondare la fisica fondamentale e migliorare la nostra comprensione dell'universo. Per esempio, molte tecnologie si basano sull'allineamento preciso dei componenti o sulla capacità di rilevare piccoli cambiamenti nei campi elettrici o magnetici. Una maggiore precisione nell'allineamento degli specchi può consentire microscopi o telescopi più precisi, e modi migliori per misurare il campo magnetico terrestre possono portare a migliori strumenti di navigazione.

La metrologia quantistica è attualmente utilizzata per migliorare la precisione del rilevamento delle onde gravitazionali nell'Osservatorio LIGO Hanford, vincitore del premio Nobel. Ma per la maggior parte delle applicazioni, La metrologia quantistica è stata eccessivamente costosa e irraggiungibile con la tecnologia attuale. I risultati appena pubblicati offrono un modo più economico di eseguire la metrologia quantistica.

"Gli scienziati spesso dicono che 'non esiste una cosa come un pranzo gratis', il che significa che non puoi guadagnare nulla se non sei disposto a pagare il prezzo computazionale, " ha detto il co-autore Aleksander Lasek, un dottorato di ricerca candidato presso il Laboratorio Cavendish. "Però, nella metrologia quantistica questo prezzo può essere reso arbitrariamente basso. È altamente controintuitivo, e davvero incredibile!"

Dott.ssa Nicole Yunger Halpern, co-autore e ITAMP Postdoctoral Fellow presso la Harvard University, ha detto:"La moltiplicazione quotidiana commuta:sei per sette è uguale a sette per sei. La teoria quantistica implica la moltiplicazione che non commuta. La mancanza di commutazione ci consente di migliorare la metrologia usando la fisica quantistica.

"La fisica quantistica migliora la metrologia, calcolo, crittografia, e altro; ma dimostrarlo rigorosamente è difficile. Abbiamo dimostrato che la fisica quantistica ci consente di estrarre più informazioni dagli esperimenti di quanto potremmo con la sola fisica classica. La chiave della prova è una versione quantistica delle probabilità:oggetti matematici che assomigliano alle probabilità ma possono assumere valori negativi e non reali".