Enhanced quantum metrology with robust multipass interferometry
Questo articolo propone una strategia di metrologia quantistica ibrida che combina piccoli stati entangled resilienti alle perdite con l'interferometria a più passaggi per ottenere sostanziali miglioramenti della precisione di misura, superando al contempo le sfide sperimentali legate alla generazione di grandi stati entangled e alla mitigazione del degrado delle prestazioni causato dalle perdite accumulate.
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Nel mondo della misurazione, esiste un limite fondamentale alla precisione con cui possiamo conoscere qualcosa, un limite imposto dalla natura stessa delle particelle che utilizziamo per effettuare la lettura. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di superare questa barriera utilizzando le strane regole della meccanica quantistica, in particolare un fenomeno chiamato entanglement. Quando le particelle sono entangled, diventano collegate in modo tale che i loro comportamenti individuali non sono più indipendenti; esse agoiscono come un'unica unità coordinata. Preparando un grande gruppo di queste particelle collegate, i ricercatori possono teoricamente raggiungere un livello di precisione che supera di gran lunga quello possibile con particelle ordinarie e non collegate. Questo approccio promette di rivoluzionare campi che vanno dal rilevamento delle deboli increspature delle onde gravitazionali alla creazione di orologi atomici ultra-accurati. Tuttavia, c'è un ostacolo: questi delicati legami quantistici sono incredibilmente fragili. Nel momento in cui una singola particella viene persa o disturbata dal suo ambiente, l'intero gruppo entangled può collassare, distruggendo proprio il vantaggio che doveva fornire aiuto.
Questa fragilità ha costretto gli scienziati a scegliere tra due percorsi difficili. Un percorso prevede la creazione di massicci gruppi di particelle altamente entangled per massimizzare la precisione, ma questi sono così difficili da realizzare e così sensibili alle perdite che spesso falliscono nelle condizioni del mondo reale. L'altro percorso utilizza una singola particella che rimbalza avanti e indietro attraverso un dispositivo di misurazione molte volte, accumulando informazioni a ogni passaggio. Sebbene questo eviti la difficoltà di creare grandi gruppi, soffre di un problema diverso: se quella singola particella viene persa in qualsiasi punto durante i suoi numerosi viaggi, l'intera misurazione fallisce. Entrambe le strategie, nonostante i loro diversi metodi, finiscono per scontrarsi con un muro di fronte all'inevitabile imperfezione di un vero laboratorio, dove le particelle vengono frequentemente perse o assorbite.
Un team di ricercatori dell'Università di Sussex e della Sorbonne Université ha proposto una nuova strada da seguire che combina i punti di forza di questi due approcci evitando al contempo le loro debolezze. Invece di cercare di creare un massiccio gruppo entangled o di fare affidamento su un singolo viaggiatore fragile, suggeriscono l'uso di un piccolo gruppo gestibile di particelle entangled che siano intrinsecamente più robuste contro la perdita. Essi poi inviano questo gruppo resiliente attraverso un interferometro a multipasso, un dispositivo che permette alle particelle di interagire ripetutamente con il parametro target. Nella loro ricerca, i ricercatori hanno dimostrato che questa strategia ibrida consente al piccolo gruppo di accumulare una quantità significativa di informazioni attraverso interazioni ripetute, mantenendo al contempo una stabilità sufficiente per sopravvivere alle perdite inevitabili che si verificano in un esperimento reale.
Il team ha analizzato come diversi tipi di stati quantistici si comporterebbero in un ambiente con perdite. Hanno confrontato il loro metodo proposto con lo stato "NOON" tradizionale, un tipo specifico di gruppo altamente entangled noto per la sua precisione teorica ma per la sua estrema sensibilità alla perdita. Hanno anche esaminato altri stati robusti, come lo stato "BAT" e uno stato "piatto", progettati per essere meno fragili. I risultati hanno mostrato che, utilizzando un piccolo stato entangled di quattro particelle e inviandolo attraverso la configurazione a multipasso, i ricercatori potevano raggiungere un livello di precisione molto più elevato rispetto ai metodi tradizionali in presenza di perdite. Nello specifico, hanno scoperto che una versione modificata dello stato NOON, che hanno chiamato stato "NOON ruotato", offriva le prestazioni migliori. Questo stato viene creato facendo passare le particelle attraverso un divisore di fascio con una riflettività specifica e regolabile, che rimescola le particelle tra i percorsi in un modo che protegge l'entanglement anche se alcune particelle vengono perse.
Fondamentalmente, i ricercatori hanno dimostrato che questo miglioramento non è solo una possibilità teorica, ma qualcosa che può essere raggiunto con la tecnologia attuale. Hanno calcolato che l'utilizzo di stati a quattro fotoni, che sono già stati creati nei laboratori, insieme a un semplice metodo di conteggio per rilevare le particelle alla fine, fornirebbe un guadagno misurabile in precisione. Le simulazioni hanno indicato che per un sistema in cui gli specchi riflettono il 95 per cento della luce (uno scenario realistico) e utilizzando quattro particelle, il numero ottimale di passaggi per le particelle è di circa diciassette. A questo punto, la strategia ibrida supera sia lo stato NOON standard che gli altri stati robusti, fornendo un segnale più chiaro nonostante le perdite. Lo studio suggerisce che, regolando attentamente la riflettività degli specchi e dei divisori di fascio, gli scienziati possono estrarre la massima quantità di informazioni da un sistema senza dover generare i massicci gruppi entangled, impossibili da controllare, che sono stati a lungo l'obiettivo della metrologia quantistica.
Il lavoro non pretende di aver risolto ogni problema nella sensoristica quantistica, né suggerisce che questo metodo funzionerà perfettamente in ogni situazione. I ricercatori riconoscono che, sebbene le loro simulazioni mostrino un chiaro vantaggio, l'effettiva implementazione sperimentale richiederebbe un controllo preciso sul numero di passaggi e sulla riflettività dei componenti ottici. Tuttavia, i risultati forniscono una tabella di marcia concreta per andare oltre i limiti delle tecniche attuali. Dimostrando che piccoli stati entangled resistenti alle perdite possono essere amplificati attraverso interazioni ripetute, lo studio offre una via pratica verso misurazioni potenziate dal quantum che possano funzionare nella realtà disordinata e imperfetta del mondo reale. Questo approccio sposta l'attenzione dal tentativo di creare stati perfetti e fragili al costruire sistemi che siano abbastanza robusti da sopravvivere al viaggio, assicurando che il vantaggio quantistico possa finalmente essere realizzato in applicazioni pratiche.
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