La luce è nota per avere una serie di proprietà fondamentali, compreso il colore, luminosità, e direzione, la maggior parte dei quali sono immediatamente evidenti e possono essere osservati ad occhio nudo. Ora ci sono diversi strumenti per rilevare e misurare queste proprietà, come contatori di fotoni, rivelatori spesso utilizzati nella ricerca che misurano la luminosità contando i singoli quanti di luce. In modo cruciale, alcuni dispositivi esistenti possono anche misurare queste proprietà al cosiddetto limite quantistico, che è una barriera fondamentale per la precisione di una misura.

Una proprietà della luce che finora si è rivelata abbastanza sfuggente e difficile da misurare al limite quantistico è la fase di un'onda luminosa. I ricercatori dell'Università della California Berkeley hanno recentemente implementato una proposta presentata 25 anni fa da un loro collaboratore che ha delineato un possibile modo per eseguire misurazioni ottimali di questa proprietà, note anche come misure canoniche di fase. In un articolo pubblicato su Fisica della natura , applicano un metodo affidabile per implementare misurazioni di fase canoniche utilizzando il feedback quantistico, che supera tutte le tecniche proposte in precedenza.

"Fase e potenza obbediscono a una versione del principio di indeterminazione di Heisenberg, proprio come posizione e slancio, "Leigh Martin, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Più ne sai di uno, meno sai dell'altro. Una proprietà bizzarra di una misurazione di fase canonica è che è completamente ignara del potere. In teoria, non può dire la differenza tra una luce accecante e una completa oscurità, ma può determinare in modo ottimale la fase del campo luminoso in arrivo."

La tecnica utilizzata dai ricercatori misura la fase di un'onda luminosa al limite quantistico non misurando la potenza dell'onda luminosa. Astenersi dal misurare la potenza, i ricercatori hanno sincronizzato il loro rivelatore con il campo elettrico in arrivo di un'onda luminosa, che oscilla su e giù. L'altezza dell'onda alla quale questo campo oscilla determina in definitiva la potenza di un raggio di luce.

"Se accendi il rilevatore solo quando l'onda è tra 'su' e 'giù, ' allora il campo in quel momento è zero indipendentemente dalla potenza complessiva, Martin ha spiegato. "Il problema è che non si conosce il momento in cui ciò accade a meno che non si conosca già la fase con cui iniziare. Perciò, adattiamo continuamente i tempi del nostro rivelatore quando arriva il segnale, essenzialmente cambiando i tempi durante l'arrivo di un singolo fotone."

I ricercatori hanno valutato l'efficacia del nuovo sistema da loro ideato e hanno scoperto che potrebbe raccogliere con successo misurazioni singole su un pacchetto d'onda di un fotone. Inoltre, la loro tecnica ha superato l'attuale standard per il rilevamento dell'eterodina.

"Per me, questo progetto mostra quanto possiamo imparare e migliorare le misurazioni usando gli effetti quantistici, " Martin ha detto. "In questo studio in particolare, abbiamo usato un esempio di un fenomeno molto generale, che è che se cambi la tua base di misurazione durante una misurazione quantistica, puoi misurare una classe di osservabili molto più ampia di quella che hai iniziato a misurare."

Nel futuro, la nuova tecnica di misurazione potrebbe essere utilizzata per svolgere ricerche che implicano il rilevamento e lo sfruttamento della fase delle onde luminose al limite quantistico. Nel loro lavoro futuro, Martin e i suoi colleghi hanno anche in programma di esplorare metodi di misurazione alternativi che sfruttino le forti non linearità nei circuiti superconduttori, una classe di circuiti altamente efficienti con resistenza elettrica zero.

"Le persone sono molto entusiaste delle piattaforme di informazione quantistica come i circuiti superconduttori per il calcolo quantistico, ma ci sono un sacco di cose che li rendono davvero speciali anche per la scienza delle misurazioni, come forti non linearità dei fotoni e misurazioni adattative, " ha detto Martin. "Spero di continuare a spingere i limiti della misurazione quantistica sia nei circuiti superconduttori che nel sistema con cui lavoro in questo momento, centri vacanti di azoto nel diamante."

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