Sensori quantistici: dati sorprendenti dalla scienza “spettrale”.

Questo è il terzo articolo di una serie in quattro parti su come l’entanglement quantistico sta cambiando la tecnologia e come comprendiamo l’Universo che ci circonda. Negli articoli precedenti, abbiamo discusso di cos’è l’entanglement quantistico e di come possiamo usarlo per rivoluzionare il modo in cui comunichiamo. In questo articolo, discutiamo dei sensori quantistici, di come il mondo microscopico ci consente di misurare il mondo macroscopico con una precisione sorprendente e perché questo è importante.

Quando hai calpestato la tua bilancia da bagno questa mattina, probabilmente hai misurato il tuo peso con precisione entro circa un decimo di libbra. È probabile che sia tutto ciò di cui hai bisogno. Ma ci sono volte in cui vuoi pesare qualcosa con più precisione, come un pezzo di posta. La bilancia dell’ufficio postale peserà una busta più finemente della bilancia da bagno. Questa è precisione ed è un fattore importante nella misurazione.

Ci sono casi in cui misurazioni estremamente precise sono fondamentali. Sapere come misurare con precisione la posizione consente al GPS di aiutarti a navigare verso l’ufficio postale. Misurazioni ancora più precise consentono a un veicolo spaziale di atterrare su Marte.

Misurazioni migliorate possono aiutarci a fare di più e a capire di più. È qui che possono essere utilizzati i sistemi quantistici e l’entanglement. Possono aiutarci a percepire attentamente un ambiente e misurarlo con una precisione senza precedenti.

La decoerenza è un grave problema per le comunicazioni quantistiche. Succede quando le particelle quantistiche interagiscono con qualcosa nel loro ambiente, ad esempio il bordo di un cavo in fibra ottica, provocando il collasso della loro funzione d’onda.

La decoerenza si verifica perché gli stati quantistici sono intensamente sensibili al loro ambiente. Questo è un problema per le comunicazioni quantistiche, ma in realtà è un vantaggio quando si tratta di rilevamento. Le loro reazioni a piccoli cambiamenti nell’ambiente sono proprio ciò che rende i sensori quantistici così accurati, consentendo loro di raggiungere una precisione che non avremmo mai immaginato fosse possibile.

Un sensore quantistico osserva essenzialmente come una particella interagisce con il suo ambiente. Esistono sensori quantistici di diversi tipi in grado di misurare ogni sorta di cose: campi magnetici, tempo, distanza, temperatura, pressione, rotazione e una miriade di altri osservabili. Man mano che entriamo più nel dettaglio su come funzionano i sensori quantistici, possiamo avere un’idea del loro potere e di come possono influenzare le nostre vite.

Vedere in profondità nel terreno

Nell’originale Jurassic Park, i paleontologi hanno utilizzato una tecnologia fittizia indefinita per comporre un’immagine di ossa di dinosauro che si nascondono sottoterra. La scena è un po’ ridicola, ma ci aiuta a capire l’impatto di uno strumento che ci permette di vedere sottoterra senza scavare. Una tale tecnologia potrebbe non aiutarci a trovare scheletri di dinosauri sorprendentemente intatti, ma potrebbe aiutarci a localizzare una miriade di altre cose: pozzi minerari, tubi o cavi abbandonati, falde acquifere e qualsiasi varietà di irregolarità sotterranee. Sapere dove si trovano le cose sottoterra prima che inizino a scavare potrebbe aiutare le aziende a risparmiare milioni di dollari durante la costruzione di qualsiasi cosa, dalle metropolitane ai grattacieli.

In che modo gli atomi possono aiutare? Proprio come il Sole e la Terra, le cose intorno a noi hanno un’attrazione gravitazionale, anche se molto più piccola. La materia densa come una vena di granito avrebbe un’attrazione gravitazionale maggiore di quella di un tunnel vuoto della metropolitana. La differenza può essere minima se misurata da terra, ma un sensore sufficientemente preciso potrebbe rilevarla.

Utilizzando gli atomi come sensori quantistici, un gruppo dell’Università di Birmingham ha illustrato quanto possano essere precisi tali sensori. Hanno posizionato due atomi in un campo gravitazionale, dando a uno un piccolo “calcio” verso l’alto. Questo atomo ricadde sotto la forza di gravità. Poiché le particelle possono agire come onde, i due atomi si intralciano a vicenda, creando uno schema di interferenza. Due creste delle onde atomiche possono allinearsi, causando interferenze costruttive. In alternativa, una cresta può allinearsi con una depressione, causando interferenze distruttive. Una piccola differenza di gravità cambierebbe il modello di interferenza degli atomi, consentendo misurazioni minime nel campo gravitazionale.

Questo non solo può farci sapere cosa c’è sotto i nostri piedi, ma può anche aiutarci a prevedere quando erutteranno i vulcani. Il magma che riempie una camera vuota sotto un vulcano cambierà la gravità locale. I sensori distribuiti su un vulcano potrebbero essere in grado di percepire quando una camera si sta riempiendo e, si spera, di avvisare in anticipo prima di un’eruzione.

Non c’è tempo come il tempo quantico

Gli orologi atomici sono un altro esempio di sensori quantistici in grado di generare estrema precisione. Questi orologi si basano sulla natura quantistica degli atomi. Per cominciare, tutti gli elettroni in un atomo hanno una certa energia. Immagina l’elettrone in orbita attorno al nucleo a una certa distanza. L’elettrone può orbitare solo in stati discreti separati da livelli di energia altamente specifici. Per passare da un livello di energia a un altro, l’elettrone può assorbire un fotone di una frequenza precisa per spostarsi verso l’alto, o emettere un fotone per spostarsi verso il basso. Un orologio atomico funziona quando un elettrone cambia il suo stato energetico attorno all’atomo.

In questo momento, l’ora solare degli Stati Uniti è determinata da un orologio atomico al cesio presso il National Institute of Standards and Technology. Questo orologio è così preciso che non guadagnerà né perderà un secondo in 100 milioni di anni. Per misurare il tempo con tale precisione, l’orologio utilizza un raggio laser per inondare gli atomi di cesio con frequenze di luce estremamente precise, spingendo i loro elettroni a livelli più alti. La precisa calibrazione della frequenza della luce del laser è ciò che permette di ottenere il tempo. (Ricorda che la frequenza è l’inverso del tempo.)

Possiamo fare anche meglio se i nostri atomi non funzionano da soli, ma sono invece aggrovigliati l’uno con l’altro. Nel 2020, un team del MIT ha realizzato un orologio atomico utilizzando atomi entangled. La precisione di questo orologio è davvero strabiliante: perde solo 100 millisecondi nell’età dell’Universo.

Dal molto piccolo al molto grande

I sensori quantistici possono consentire ai nostri telescopi e microscopi di mostrarci di più.

Normalmente quando pensiamo di esplorare l’Universo, immaginiamo un telescopio che raccolga foto, siano esse ottiche, a infrarossi o radio. Ma possiamo anche esplorare l’Universo usando le onde gravitazionali.

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Quando una coppia di buchi neri si fondono o una supernova esplode, il tessuto dello spazio e del tempo stesso viene allungato e schiacciato come increspature su uno stagno. Possiamo rilevare queste increspature usando un interferometro, che confronta con precisione la distanza per due direzioni perpendicolari. Per misurare questo, lo strumento invia un raggio di luce lungo ciascun asse. I raggi rimbalzano sugli specchi, ritornano alla sorgente e si ricombinano, creando uno schema di interferenza. Se un’increspatura di un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro in una direzione, potrebbe allungarsi leggermente, mentre dall’altra verrebbe schiacciata, provocando il cambiamento del modello di interferenza. Questa differenza è piccola, ma indicherebbe il passaggio di un’onda gravitazionale.

Anche in questo caso, le foto impigliate possono offrire un vantaggio. La capacità di misurazione dell’interferometro è limitata dalla differenza nei tempi di arrivo delle foto all’interno del raggio di luce. In parole povere, alcune delle foto arrivano prima al rilevatore rispetto ad altre. Combinando fotoni entangled e una tecnica chiamata “spremitura dei fotoni” con il principio di indeterminazione di Heisenberg, possiamo ridurre la diffusione nei tempi di arrivo di questi fotoni a spese di un altro osservabile. Usando questo metodo, interferometri come LIGO e Virgo possono rilevare vibrazioni 100.000 volte più piccole di un nucleo atomico.

Spremere la luce può anche aiutare a migliorare la sensibilità dei microscopi. Affinché un microscopio funzioni, la luce deve illuminare il soggetto. Quando quella luce rimbalza sul campione e ritorna al microscopio, la casualità nel tempo di arrivo dei fotoni introduce rumore. Normalmente, questo rumore di scatto, come viene chiamato, può essere ridotto aumentando la luminosità. Ma a un certo punto, l’intensità della luce danneggia effettivamente il campione, soprattutto se si tratta di tessuto biologico di qualche tipo. Un team dell’Università del Queensland ha dimostrato che l’utilizzo di foto aggrovigliate e la compressione aumenta la sensibilità del microscopio senza friggere il campione.

La misurazione riguarda la comprensione del nostro ambiente a un livello più profondo. Che si tratti di temperatura, campo elettrico, pressione o tempo, tali misurazioni sono più che numeri. Si tratta di capire cosa significano quei numeri e come utilizzare i piccoli cambiamenti. I sensori quantistici possono essere utilizzati nelle risonanza magnetica e nella navigazione senza sistemi GPS. Possono aiutare le auto a guida autonoma a percepire meglio il loro ambiente e gli scienziati a prevedere le eruzioni vulcaniche. L’entanglement quantistico può rimanere misterioso, ma ha anche un lato molto pratico.

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