I sistemi quantistici costituiti da più particelle possono essere utilizzati per misurare i campi magnetici o elettrici in modo più preciso. Un giovane fisico dell'Università di Basilea ha ora proposto un nuovo schema per tali misurazioni che utilizza un particolare tipo di correlazione tra le particelle quantistiche.

Nell'informazione quantistica, gli agenti fittizi Alice e Bob sono spesso usati per illustrare compiti di comunicazione complessi. In uno di questi processi, Alice può usare particelle quantistiche entangled come i fotoni per trasmettere o "teletrasportare" uno stato quantistico, sconosciuto anche a lei stessa, a Bob, qualcosa che non è fattibile utilizzando le comunicazioni tradizionali.

Però, non è chiaro se il team di Alice-Bob possa utilizzare stati quantistici simili per altre cose oltre alla comunicazione. Un giovane fisico dell'Università di Basilea ha ora mostrato come particolari tipi di stati quantistici possono essere utilizzati per eseguire misurazioni con una precisione maggiore di quella che normalmente la fisica quantistica consentirebbe. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

Sterzo quantico a distanza

Insieme a ricercatori in Gran Bretagna e Francia, Dott. Matteo Fadel, che lavora presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea, ha pensato a come affrontare compiti di misurazione ad alta precisione con l'aiuto del cosiddetto governo quantistico.

Lo sterzo quantistico descrive il fatto che in certi stati quantistici di sistemi costituiti da due particelle, una misurazione sulla prima particella consente di fare previsioni più precise sui possibili risultati di misurazione sulla seconda particella rispetto a quanto consentirebbe la meccanica quantistica se fosse stata effettuata solo la misurazione sulla seconda particella. È come se la misurazione sulla prima particella avesse "guidato" lo stato della seconda.

Questo fenomeno è noto anche come paradosso EPR, prende il nome da Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, che lo descrisse per la prima volta nel 1935. La cosa notevole è che funziona anche se le particelle sono distanti perché sono entangled quanto-meccanicamente e possono sentirsi l'un l'altra a distanza. Questo è anche ciò che consente ad Alice di trasmettere il suo stato quantistico a Bob nel teletrasporto quantistico.

"Per la guida quantistica, le particelle devono essere impigliate tra loro in un modo molto particolare, " Spiega Fadel. "Eravamo interessati a capire se questo potesse essere usato per fare misurazioni migliori." La procedura di misurazione che propone consiste nell'eseguire una misurazione da parte di Alice sulla sua particella e trasmettere il risultato a Bob.

Grazie allo sterzo quantistico, Bob può quindi regolare il suo apparato di misurazione in modo tale che l'errore di misurazione sulla sua particella sia più piccolo di quanto sarebbe stato senza le informazioni di Alice. In questo modo, Bob può misurare, ad esempio, campi magnetici o elettrici che agiscono sulle sue particelle con elevata precisione.

Studio sistematico delle misurazioni del potenziamento dello sterzo

Lo studio di Fadel e dei suoi colleghi rende ora possibile studiare e dimostrare sistematicamente l'utilità dello sterzo quantistico per le applicazioni metrologiche. "L'idea è nata da un esperimento che abbiamo già fatto nel 2018 nel laboratorio del professor Philipp Treutlein dell'Università di Basilea, "dice Fadel.

"In quell'esperimento, siamo stati in grado di misurare la direzione quantistica per la prima volta tra due nuvole contenenti ciascuna centinaia di atomi freddi. Dopo di che, ci siamo chiesti se fosse possibile fare qualcosa di utile con quello." Nel suo lavoro, Fadel ha ora creato una solida base matematica per realizzare applicazioni di misurazione nella vita reale che utilizzano lo sterzo quantistico come risorsa.

"In pochi semplici casi, sapevamo già che c'era una connessione tra il paradosso EPR e le misurazioni di precisione, " Dice Treutlein. "Ma ora abbiamo un quadro teorico generale, sulla base del quale possiamo anche sviluppare nuove strategie per la metrologia quantistica." I ricercatori stanno già lavorando per dimostrare sperimentalmente le idee di Fadel. In futuro, ciò potrebbe tradursi in nuovi dispositivi di misurazione potenziati dalla quantistica.