Nonclassicality of Mixed States with Photon Number Coherence

Nel silenzioso ronzio di un laboratorio, i fisici studiano la luce non solo come un'onda o una particella, ma come un oggetto quantistico che può esistere in una sovrapposizione di molti stati diversi contemporaneamente. Questa capacità di trovarsi in molteplici stati simultaneamente è ciò che rende i sistemi quantistici così potenti per misurare il mondo con estrema precisione. Quando un sistema si comporta in un modo che non può essere spiegato dalla fisica classica — quando rifiuta di agire come una semplice e prevedibile miscela di luce ordinaria — viene definito "non classico". Gli scienziati sanno da tempo che questi stati non classici sono la chiave per sensori migliori, capaci di rilevare deboli onde gravitazionali o sottili cambiamenti nei campi magnetici che gli strumenti classici perderebbero. Tuttavia, c'è un ostacolo: la luce del mondo reale è raramente perfetta. È spesso una miscela disordinata di diversi stati, offuscata dal rumore e dalle perdite, il che rende incredibilmente difficile calcolare esattamente quanto "vantaggio quantistico" rimanga.

Un team di ricercatori dell'Università di Rhode Island ha compiuto un passo significativo avanti nel districare questo caos. Si sono concentrati su un tipo specifico di luce mista che contiene la "coerenza del numero di fotoni", un sottile legame tra diversi numeri di particelle di luce che persiste anche quando la luce non è in uno stato puro e perfetto. Sviluppando nuovi strumenti matematici, sono stati in grado di calcolare esattamente quanta non classicità possiedano questi stati misti e quanto siano utili per compiti di misurazione. Il loro lavoro rivela che la relazione tra la "quanticità" della luce e la sua capacità di misurare il mondo è molto più complessa di quanto precedentemente ipotizzato. Hanno scoperto che, sebbene il rumore di solito distrugga questo vantaggio quantistico, esistono scenari specifici in cui ridurre la coerenza tra le particelle di luce può effettivamente rendere lo stato più utile per la misurazione, un risultato controintuitivo che sfida le semplici assunzioni su come i sistemi quantistici degradino.

Per comprendere la loro scoperta, bisogna prima comprendere cosa stessero misurando i ricercatori. Hanno utilizzato un particolare metro di misura noto come misura della teoria delle risorse operazionali. Pensate a questo come a una scala precisa che pesa quanto uno stato luminoso devia dall'essere un fascio standard e classico. Se la scala segna zero, la luce è ordinaria e non offre alcun potere speciale di misurazione. Se segna un valore più alto, la luce è non classica e possiede il potenziale per misurazioni migliori. La sfida è sempre stata che, per la luce mista e imperfetta, calcolare questo peso è come cercare di risolvere un puzzle con pezzi mancanti; la risposta dipende dal trovare il modo migliore per scomporre lo stato misto in parti più semplici, un compito che spesso richiede simulazioni informatiche complesse. I ricercatori in questo studio sono riusciti a risolvere questo puzzle esattamente per una vasta classe di stati misti, specificamente quelli che sono una miscela di soli due stati quantistici distinti.

Il team ha derivato formule esatte che descrivono come questo peso quantistico cambi al variare della miscela tra i suoi due componenti. Hanno scoperto che il comportamento di questi stati non è una discesa fluida e graduale verso la bassa quanticità. Al contrario, la quanticità cambia spesso in passi distinti. Mentre simulavano il processo di "dephasing" (decoerenza di fase) — un tipo di rumore che sconvolge i delicati legami tra le particelle di luce — hanno osservato un fenomeno simile a quello che accade con le particelle entangled. In alcuni casi, all'aumentare del rumore, il vantaggio quantistico subiva un calo brusco e poi raggiungeva un plateau, interrompendo la sua discesa anche mentre il rumore continuava ad aumentare. Ciò significa che una certa quantità di utilità quantistica può sopravvivere anche quando la luce è diventata piuttosto disordinata, invece di svanire completamente non appena appare il primo bit di rumore.

La scoperta più sorprendente riguarda il ruolo della coerenza, il filo invisibile che lega diversi numeri di fotoni. La saggezza convenzionale suggerisce che una maggiore coerenza significhi sempre maggiore potenza quantistica. I ricercatori hanno confermato che per certi tipi di rumore, specificamente quelli che imitano il dephasing naturale, questo è vero: ridurre la coerenza non aiuta mai. Tuttavia, hanno anche dimostrato che, se si potesse ridurre la coerenza in un modo che non segua le regole del dephasing naturale, il risultato potrebbe essere diverso. In alcuni casi specifici, abbassare la coerenza aumentava la non classicità e il potere metrologico dello stato. Ciò implica che la strada verso un sensore migliore non consiste sempre nel preservare ogni singolo legame quantistico; a volte, rompere questi legami in modo controllato può fornire uno strumento più utile.

Lo studio ha anche mappato esattamente quando il potenziale per misurazioni migliori corrisponde al limite teorico della non classicità. Per stati puri e perfetti, la capacità di misurare è sempre uguale alla quantità di non classicità. Per gli stati misti, questo non è sempre vero. I ricercatori hanno scoperto che per molti degli stati analizzati, il potere di misurazione cade al di sotto del massimo teorico. Esistono regioni in cui la luce è ancora non classica, eppure non offre alcun vantaggio rispetto alla luce classica per la misurazione. Questa distinzione è cruciale per gli ingegneri che costruiscono sensori quantistici, poiché dice loro che creare uno stato non classico non è sufficiente; devono assicurarsi che lo stato rientri nello specifico regime in cui quella non classicità si traduce in sensibilità nel mondo reale.

Fornendo queste formule esatte e soluzioni numeriche, l'articolo offre una chiara tabella di marcia per comprendere gli stati quantistici misti. Va oltre la semplice idea che il rumore sia sempre un male e mostra che la relazione tra rumore, coerenza e potere di misurazione è sfumata e dipende fortemente dal tipo specifico di luce utilizzato. I ricercatori non si sono limitati a simulare questi effetti; hanno dimostrato che per una vasta gamma di stati, la quanticità si comporta in modo a tratti, con soglie chiare dove le regole del gioco cambiano. Questo lavoro pone le fondamenta per progettare migliori sensori quantistici, mostrando esattamente come navigare nel complesso panorama degli stati misti, garantendo che la luce utilizzata nei futi esperimenti non sia solo non classica, ma che lo sia in modo ottimale.