Microwave-field quantum metrology with inherent robustness against detection losses enabled by Rydberg interactions

Immaginate di cercare di ascoltare un sussurro in una stanza affollata e rumorosa. Il segnale è presente, ma lo statico dell'ambiente e i limiti dell'udito rendono quasi impossibile comprenderlo. Questa è la sfida fondamentale che affronta la prossima generazione di strumenti di misurazione ultra-precisi. Gli scienziati stanno costruendo dispositivi capaci di percepire i campi elettrici e magnetici più deboli, il che potrebbe rivoluzionare tutto, dalla diagnostica medica alla navigazione. Tuttavia, un grande ostacolo è sempre stato il fatto che l'atto stesso di misurare questi delicati segnali quantistici spesso li distrugge o ne disperde le informazioni lungo il percorso. Nel mondo della sensoristica quantistica, dove le particelle vengono utilizzate per rilevare il mondo circostante, perdere anche solo una minuscola frazione di dati a causa dell'inefficienza può rovinare l'accuratezza della misurazione. Per anni, la saggezza prevalente suggeriva che, per ottenere risultati migliori, fosse semplicemente necessario costruire rilevatori migliori o proteggere le particelle dall'ambiente, un compito che spesso richiede macchinari complessi e costosi.

Un team di ricercatori a Varsavia ha ora dimostrato una strada diversa, una che trasforma una debolezza nota in un punto di forza. Utilizzando un tipo speciale di atomo noto come atomo di Rydberg — un atomo eccitato a uno stato di energia molto elevato in cui diventa enorme e altamente sensibile ai campi elettrici — hanno creato un sensore che è intrinsecamente robusto contro le perdite che solitamente affliggono tali esperimenti. Invece di cercare di prevenire la perdita di informazioni, hanno introdotto un'interazione interna controllata tra gli atomi che filtra efficacemente il rumore prima ancora che la misurazione avvenga. Il risultato è un sensore in grado di rilevare campi microonde con una sensibilità di 39 nanovolt per centimetro per radice quadrata di Hertz, un livello di precisione che rivaleggia con le migliori tecnologie esistenti, ma ottenuto attraverso una sapiente manipolazione degli atomi stessi piuttosto che attraverso una perfezione esterna.

L'esperimento si basa su una nuvola di atomi di rubidio ultra-freddi, raffreddati a temperature appena superiori allo zero assoluto e intrappolati in una camera a vuoto. Questi atomi non sono solo fermi; sono preparati in uno stato quantistico specifico in cui agiscono come un'unica entità collettiva. I ricercatori utilizzano la luce per memorizzare l'informazione in questi atomi, creando una "onda di spin" (spinwave), che è essenzialmente un'increspatura di eccitazione che si muove attraverso la nuvola. Per misurare un campo microonde esterno, applicano un impulso che causa l'oscillazione degli atomi tra due diversi livelli di energia. La forza del campo microonde determina quanto questa oscillazione oscilla. In una configurazione standard, i ricercatori si limiterebbero a leggere quanti atomi sono finiti nel nuovo stato. Tuttavia, se il processo di rilevamento è imperfetto, la perdita anche di pochi atomi riduce significativamente la precisione della misurazione.

La svolta in questo lavoro deriva da ciò che accade all'interno della nuvola prima che avvenga la lettura. I ricercatori hanno preparato gli atomi in modo che alcuni fossero in uno stato energetico e altri in un altro, e poi hanno permesso loro di interagire. Poiché questi atomi di Rydberg sono così grandi e hanno campi elettrici così forti, influenzano fortemente gli uni gli altri su distanze relativamente lunghe. Questa interazione agisce come un filtro. Quando gli atomi interagiscono, subiscono un processo che cambia il modo in cui l'informazione viene memorizzata. Fondamentalmente, questa interazione fa sì che un tipo specifico di errore diventi visibile e rimovibile, preservando al contempo il segnale utile. È come se gli atomi stessi riorganizzassero la loro struttura interna in modo che l'informazione più soggetta a essere persa dal rilevatore venga spostata in una parte del sistema che è meno probabile sia influenzata dalla perdita.

Per testare questo, il team ha applicato un campo microonde e ha lasciato che gli atomi interagissero per un tempo specifico. Hanno poi convertito gli stati atomici in luce e contato i fotoni. Hanno scoperto che la relazione tra la forza del campo microonde e il numero di fotoni rilevati è diventata molto più ripida e distinta rispetto a quanto sarebbe stata senza l'interazione. Questa pendenza è la chiave della precisione; significa che una minima variazione nel campo microonde produce un cambiamento grande e facilmente misurabile nell'output. I ricercatori hanno misurato una sensibilità di 39 nanovolt per centimetro per radice quadrata di Hertz. Questo numero rappresenta la minima variazione del campo elettrico che il sensore può rilevare in modo affidabile. Più importante ancora, hanno dimostrato che questa prestazione è stata raggiunta nonostante il loro sistema di rilevamento fosse efficiente solo circa il due per cento, un livello di perdita che normalmente distruggerebbe la sensibilità di un sensore quantistico.

Il team ha anche sviluppato un modello teorico per spiegare perché questo abbia funzionato così bene. Hanno dimostrato che l'interazione tra gli atomi rimuove efficacemente una componente specifica dello stato quantistico che è responsabile del confondere la misurazione quando si verificano perdite. Facendo ciò, il sistema protegge l'informazione rimanente, permettendo al sensore di estrarre più dati dallo stesso numero di particelle rilevate. Hanno confrontato i loro risultati con quelli che ci si aspetterebbe senza questa interazione e hanno scoperto che il nuovo metodo forniva più di tre volte la quantità di informazione utile per ogni fotone rilevato. Questo è un guadagno significativo, che prova che la strategia di utilizzare le interazioni interne per prevenire gli errori non è solo una possibilità teorica, ma una realtà pratica.

I ricercatori hanno fatto attenzione a sottolineare che questo non significa che abbiano risolto interamente il problema della sensoristica quantistica. La sensibilità che hanno raggiunto è paragonabile ai migliori sensori attualmente disponibili, ma non è stato un salto massiccio nelle prestazioni pure. Piuttosto, la significatività risiede nel metodo. Hanno dimostrato che non è necessario un rilevatore perfetto o un ambiente impeccabile per ottenere misurazioni quantistiche di alta qualità. Utilizzando la fisica naturale degli atomi stessi, hanno creato un sistema che è resiliente alle imperfezioni che solitamente limitano queste tecnologie. Questo approccio apre la porta a sensori quantistici più robusti che possono essere utilizzati in condizioni del mondo reale dove l'isolamento perfetto è impossibile.

Guardando al futuro, il team suggerisce che questo metodo potrebbe essere ulteriormente migliorato. Se riuscissero ad aumentare il numero di atomi nella nuvola o ad abbassare ulteriormente la temperatura per ridurre il movimento degli atomi, la sensibilità potrebbe essere spinta ancora più in alto. Immaginano anche di utilizzare questa tecnica per rilevare singole particelle di luce o materia, il che rappresenterebbe un passo importante verso sensori completamente potenziati dal punto di vista quantistico. Per ora, il lavoro costituisce una chiara dimostrazione che, a volte, il modo migliore per proteggere un segnale non è schermarlo dal mondo, ma lasciare che il mondo interagisca con esso in modo controllato, in modo che il messaggio si rafforzi. L'esperimento prova che, comprendendo e sfruttando la complessa danza degli atomi, gli scienziati possono costruire strumenti che vedono l'invisibile con una chiarezza che prima si pensava richiedesse condizioni impossibili.