Time domain non-linear quantum interferometry

Immaginate di cercare di sentire un singolo sussurro in una stanza piena del ruggito di un motore a reazione. Nel mondo della fisica, questa è la sfida quotidica nel rilevare i segnali più deboli dell'universo, come le elusive particelle che potrebbero costituire la materia oscura o le increspature delle onde gravitazionali ad alta frequenza. Per decenni, gli scienziati si sono affidati a una tecnica chiamata interferometria, che divide un'onda in due percorsi e li ricombina per rivelare minuscole differenze. Tuttavia, anche gli strumenti più perfetti affrontano una barriera fondamentale nota come limite del rumore di shot (shot noise limit). Questo non è un difetto della macchina, ma una conseguenza della natura quantistica della luce stessa; poiché la luce è composta da pacchetti discreti chiamati fotoni, esiste un inevitabile, casuale tremolio nell'intensità del fascio che annega i segnali più deboli di una certa soglia. Per vedere i segreti più silenziosi dell'universo, i ricercatori devono trovare un modo per ascoltare oltre questo statico quantistico.

Un team di fisici in Francia ha costruito un dispositivo che fa esattamente questo, creando un nuovo tipo di interferometro quantistico in grado di rilevare segnali ben al di sotto del limite di rumore standard. Il loro lavoro, pubblicato in uno studio recente, dimostra un metodo per percepire segnali a microonde contenenti meno di un fotone in media, un traguardo precedentemente ritenuto richiedente apparecchiature molto più complesse e fragili. Utilizzando un circuito speciale fatto di alluminio granulare e una cavità a microonde, i ricercatori hanno creato un sistema che amplifica i segnali deboli attraverso un processo non lineare, trasformando efficacemente un sussurro in un grido senza aggiungere il consueto rumore di fondo. Questa scoperta offre una nuova e promettente via per la caccia alla materia oscura e l'osservazione di fenomeni cosmici che finora sono rimasti nascosti.

Il cuore di questo esperimento è una configurazione che somiglia a un sofisticato ricevitore radio, ma che opera a livello quantistico. I ricercatori hanno utilizzato una cavità a microonde tridimensionale, una scatola metallica cava che intrappola le onde elettromagnetiche, e hanno posto al suo interno un piccolo circuito fatto di alluminio granulare. Questo materiale è unico perché è resiliente ai campi magnetici e possiede una proprietà chiamata anarmonicità, il che significa che la sua risposta all'energia non è una semplice linea retta, ma curva in modo da permettere interazioni complesse. Il team ha alimentato la cavità con un forte segnale a microonde, agendo come un fascio di riferimento, e poi ha introdotto un secondo segnale, incredibilmente debole, che volevano rilevare. In una configurazione tradizionale, questo segnale debole andrebbe perso nel rumore del fascio forte, ma qui, il circuito di alluminio granulare agisce come una lente non lineare.

La magia avviene attraverso un processo chiamato interferometria di Ramsey, un metodo solitamente usato per misurare il tempo o la frequenza con estrema precisiono. I ricercatori hanno preparato il circuito di alluminio in uno stato delicato di sovrapposizione, dove esiste in due stati contemporaneamente, e poi lo hanno lasciato evolvere liberamente. Durante questo tempo, il forte segnale di riferimento e il debole segnale di test hanno interagito con il circuito. A causa della natura non lineare del circuito, la presenza anche di un numero minuscolo di fotoni del segnale debole ha causato uno spostamento misurabile nella fase dello stato del circuito. È come se il segnale debole avesse dato un colpetto al circuito, quanto basta per cambiare il tempo del suo ritmo interno, un cambiamento che potrebbe essere letto misurando il segnale a microonde che rimbalza sulla cavità.

I risultati sono stati sorprendenti. Il team ha dimostrato che il loro dispositivo può rilevare un segnale contenente appena 0,01 fotoni in soli 400 microsecondi, e persino segnali ancora più piccoli di 0,00001 fotoni se consentono alla misurazione di durare 400 millisecondi. Per mettere questo in prospettiva, un rilevatore standard dovrebbe attendere molto più a lungo o utilizzare amplificatori molto più potenti per vedere segnali così deboli, introducendo spesso più rumore nel processo. I ricercatori hanno dimostrato che il loro metodo funziona misurando la fase del segnale in uscita piuttosto che solo la sua potenza, permettendo loro di aggirare i limiti del rumore di shot. Hanno confermato che il dispositivo può distinguere il segnale debole dal rumore di fondo osservando come la fase del segnale in uscita oscillasse mentre regolavano la temporizzazione del segnale debole.

Uno degli aspetti più significativi di questo lavoro è la sua robustezza. Molti sensori quantistici sono incredibilmente fragili e falliscono se esposti a campi magnetici, che sono spesso necessari per gli esperimenti di ricerca sulla materia oscura. Tuttavia, poiché il circuito di alluminio granulare è naturalmente resiliente ai campi magnetici, i ricercatori sono stati in grado di far operare il loro interferometro sotto un campo magnetico forte quanto 100 millitesla senza perdere sensibilità. Ciò suggerisce che il dispositivo potrebbe essere integrato in esperimenti più grandi che richiedono magneti forti, come quelli progettati per convertire particelle ipotetiche di materia oscura in fotoni rilevabili. Il team ha inoltre notato che il dispositivo potrebbe potenzialmente scansionare un intervallo di frequenze molto ampio, rendendolo uno strumento versatile per esplorare diversi tipi di segnali cosmici.

Le implicazioni di questa scoperta vanno oltre la semplice misurazione di segnali deboli. La capacità di rilevare campi a microonde così deboli apre la porta alla ricerca di candidati per la materia oscura come gli assioni o i fotoni oscuri, che si prevede producano segnali nell'intervallo delle microonde. Queste particelle, se esistono, interagirebbero molto debolmente con la materia ordinaria, rendendole quasi impossibili da rilevare con la tecnologia attuale. Evitando il limite del rumore di shot, questo nuovo interferometro fornisce un modo per ascoltare queste particelle con una sensibilità che era precedentemente fuori portata. I ricercatori hanno anche sottolineato che il loro metodo potrebbe essere adattato per rilevare onde gravitazionali ad alta frequenza o maser astronomici, che sono sorgenti naturali di radiazione a microonde nello spazio.

Sebbene il dispositivo non sia ancora un prodotto finito pronto per essere dispiegato in un telescopio spaziale, rappresenta un passo cruciale in avanti nel campo della sensoristica quantistica. I ricercatori hanno dimostrato che, utilizzando le proprietà non lineari di un semplice circuito superconduttore, è possibile creare un interferometro che sia sia sensibile che robusto. Non hanno sostenuto di aver risolto il mistero della materia oscura, ma hanno fornito un nuovo, potente strumento che potrebbe aiutare a rispondere a quella domanda. Il lavoro è una testimonianza dell'idea che, comprendendo e manipolando le proprietà quantistiche fondamentali dei materiali, gli scienziati possono costruire strumenti che vedono più lontano e sentono più silenziosamente che mai prima d'ora. Mentre il campo della sensoristica quantistica continua a evolversi, questo approccio dell'uso di circuiti non lineari per superare i limiti del rumore potrebbe diventare una tecnica standard per esplorare i più profondi misteri dell'universo.