Improving the loss threshold for quantum advantage in photonic sensors by complete photon counting

Immagina di dover misurare lo spessore di un pezzo di vetro molto delicato. Non puoi toccarlo, quindi devi far passare della luce attraverso di esso e osservare come cambia la luce. Nel mondo della fisica, questo si chiama interferometria.

Di solito, usiamo una torcia standard (luce coerente). Ma esiste un limite alla precisione con cui possiamo misurare le cose usando una torcia; è come cercare di sentire un sussurro in una stanza rumorosa. La fisica quantistica offre una "super-luce" fatta di particelle speciali, intrecciate (entangled), che riesce a sentire quel sussurro molto meglio. Tuttavia, c'è un problema: questa super-luce è incredibilmente fragile. Se anche solo un piccolo frammento di luce viene perso o assorbito dal vetro (o dall'aria, o dal rilevatore), il "vantaggio quantistico" svanisce, e si torna a usare una torcia normale.

Questo articolo presenta un nuovo modo per risolvere questo problema. I ricercatori hanno costruito una macchina che agisce come un amplificatore intelligente combinato con una telecamera super dettagliata. Ecco come l'hanno fatto, suddiviso in concetti semplici:

1. L' "Amplificatore Intelligente" (L'interferometro SU(1,1))

Pensa a una tradizionale macchina per misurare la luce come a una bilancia. Metti la luce su un lato, la misuri e la confronti con l'altro lato. Se perdi alcuni granelli di sabbia (fotoni) lungo il percorso, la bilancia diventa imprecisa.

I ricercatori hanno utilizzato un design diverso chiamato interferometro SU(1,1). Invece di limitarsi a dividere la luce, utilizzano un cristallo speciale che funge da amplificatore magico.

• Passaggio 1: Creano una coppia di fasci di luce intrecciati (segnale e idler).
• Passaggio 2: Questi fasci passano attraverso l'area di "rilevamento" dove raccolgono informazioni sull'oggetto.
• Passaggio 3: Prima di essere misurati, passano attraverso un secondo stadio di amplificazione.

Il trucco geniale qui è che hanno reso il secondo amplificatore più forte del primo. Immagina di cercare di ascoltare un suono debole in una stanza rumorosa. Invece di alzare semplicemente il volume del microfono (il che alza anche il rumore), amplifichi il suono specifico che stai cercando dopo che ha attraversato il rumore. Questa configurazione permette alla macchina di "recuperare" il segnale anche se una parte significativa di luce è andata perduta lungo il percorso.

2. La "Telecamera Super Dettagliata" (Rilevamento della risoluzione del numero di fotoni - PNRD)

Questa è la parte più critica della loro scoperta.

• Il vecchio modo (Rilevatori a "click"): La maggior parte dei sensori quantistici utilizza rilevatori che agiscono come semplici campanelli. Ti dicono solo: "Un fotone mi ha colpito? Sì (Click) o No (Silenzio)". È come cercare di indovinare il peso di un sacco di biglie sapendo solo se il sacco è abbastanza pesante da attivare un sensore a pavimento. Perdi tutta l'informazione dettagliata su quante biglie ci siano effettivamente all'interno.
• Il nuovo modo (PNRD): I ricercatori hanno utilizzato sensori speciali chiamati Sensori a Transizione di Bordo (TES). Questi agiscono come una telecamera ad alta risoluzione che non vede solo "luce" o "buio". Possono contare il numero esatto di fotoni che li colpiscono, uno per uno, anche se diversi arrivano contemporaneamente.

L'Analogia: L'Orchestra

Immagina che i fasci di luce siano un'orchestra che suona una sinfonia complessa.

• I rilevatori standard sono come una persona in fondo alla sala che sa solo se l'orchestra sta suonando o è in silenzio. Perdono la melodia, l'armonia e gli strumenti specifici.
• Il sistema dei ricercatori è come uno studio di registrazione che cattura ogni singola nota degli strumenti. Anche se il suono viene un po' attutito (perso) durante il tragitto verso lo studio, la registrazione è così dettagliata che possono ancora ricostruire la melodia esatta e misurare il tempo perfettamente.

Cosa hanno ottenuto?

Il team ha testato il loro sistema in uno scenario del mondo reale in cui circa il 25% della luce è andata persa all'interno della macchina e un altro 45% è andata persa prima di raggiungere il rilevatore. Si tratta di una perdita totale di circa il 70% dei fotoni!

• Il Risultato: Anche con questa perdita massiccia, il loro sistema è riuscito a misurare la fase (lo "spessore" del vetro) con una precisione di 2,37 dB superiore rispetto a quella che la migliore possibile torcia standard potrebbe mai raggiungere.
• Il Confronto: Quando hanno confrontato la loro "telecamera super dettagliata" (PNRD) con il "campanello" (rilevatore a click) usando la stessa macchina, la telecamera è risultata il 44% migliore nell'estrarre informazioni.

Perché questo è importante

L'articolo afferma che, combinando questo "amplificatore intelligente" con una "telecamera che conta i fotoni", hanno sbloccato un modo per utilizzare i sensori quantistici in condizioni del mondo reale, dove la perdita di luce è inevitabile.

In precedenza, gli scienziati pensavano che se si perdeva troppa luce, bisognasse scartare i dati o correggerli artificialmente (un processo chiamato post-selezione). Questo articolo dimostra che non è necessario farlo. È sufficiente contare i fotoni che effettivamente si ottengono e, poiché li si conta con tale precisione, si ottiene comunque un "vantaggio quantistico" rispetto ai metodi classici.

In breve: Hanno trovato un modo per rendere i sensori quantistici abbastanza robusti da funzionare anche quando l'ambiente è disordinato e soggetto a perdite, semplicemente utilizzando un rilevatore che conta ogni singolo fotone invece di limitarsi a controllare se è presente.