Measuring the Quantum Phase of Multiphoton Systems

Nel mondo della fisica quantistica, alcune quantità sono facili da contare, mentre altre sono notoriamente difficili da definire. Immaginate di cercare di misurare l'esatto numero di granelli di sabbia in un secchio; questo è un compito semplice. Ora immaginate di cercare di misurare la precisa "fase" di un'onda d'acqua. Nella fisica classica, la fase descrive dove si trova un'onda nel suo ciclo: se è in un picco, in un avvallamento o in una via di mezzo. È un concetto fondamentale che spiega come le onde interferiscano tra loro, creando i modelli di luce e ombra che vediamo nelle increspature o nei fasci laser. Tuttavia, quando i fisici sono passati dal mondo macroscopico delle onde d'acqua e di luce al regno microscopico delle singole particelle, è emerso un profondo mistero. Mentre il numero di particelle in un sistema poteva essere definito chiaramente, la versione quantistica della fase rimaneva elusiva. Per decenni, gli scienziati hanno lottato per trovare uno strumento matematico, o un operatore, che potesse descrivere questa fase senza infrangere le regole della meccanica quantistica. Senza tale strumento, non potevano misurare direttamente la fase di un gruppo di particelle, né potevano stabilire una regola chiara che descrivesse come l'incertezza del conteggio delle particelle sia correlata all'incertezza della fase.

Questo vuoto di comprensione è diventato sempre più importante man mano che gli scienziati sviluppano nuove tecnologie che si basano sulla manipolazione di molte particelle contemporaneamente, come sensori avanzati e computer quantistici. Questi dispositivi devono spesso passare dal contare le particelle alla misurazione della loro fase, proprio come una fotocamera standard potrebbe passare dal concentrarsi sulla luminosità di una scena al tempismo di un flash. Fino ad ora, l'incapacità di misurare direttamente la fase di sistemi multiparticella è stata un significativo ostacolo. Un team di ricercatori della Louisiana State University ha ora compiuto un grande passo avanti, ricostruendo con successo lo stato quantistico di sistemi contenenti fino a quindici particelle per valutare la loro fase quantistica. Facendo ciò, non solo hanno catturato una quantità che è stata a lungo considerata imponderabile, ma hanno anche dimostrato un nuovo modo per vedere la relazione fondamentale tra quante particelle sono presenti e la loro fase.

I ricercatori hanno raggiunto questo traguardo costruendo un sofisticato apparato sperimentale che agisce come una fotocamera ad alta precisione per la luce. Invece di limitarsi a contare i fotoni, o particelle di luce, man mano che arrivano, il team ha combinato la luce che voleva studiare con un fascio di luce costante e prevedibile, noto come oscillatore locale. Questo processo di miscelazione, noto come interferometria omodina, ha permesso loro di confrontare la luce incognita con un riferimento noto. Fondamentalmente, hanno utilizzato un rilevatore capace di risolvere l'esatto numero di fotoni in ogni misurazione, piuttosto che rilevare semplicemente la presenza di luce. Regolando attentamente la fase relativa e l'intensità dei due fasci di luce e scansionando il campo luminoso, hanno raccolto una enorme quantità di dati. Hanno poi utilizzato un potente algoritmo per computer per ricostruire lo stato quantistico della luce da queste misurazioni, costruendo efficacemente una mappa dettagliata delle proprietà del sistema.

I risultati di questa ricostruzione hanno rivelato qualcosa di profondo. Il team è stato in grado di visualizzare il campo luminoso in due modi complementari: uno mostrava la distribuzione dei numeri di particelle e l'altro la distribuzione delle fasi. Quando hanno esaminato un fascio di luce con una fase ben definita, hanno scoperto che le particelle erano disperse attraverso molti diversi stati numerici, ma la fase era strettamente raggruppata attorno a un valore specifico. Al contrario, quando hanno esaminato un altro tipo di campo luminoso con fluttuazioni più casuali, la fase è diventata molto più dispersa e incerta. Questa osservazione ha confermato una relazione ricercata da tempo: all'aumentare dell'incertezza nel numero di particelle, l'incertezza nella fase diminuisce, e viceversa. Questa è la relazione di incertezza numero-fase, una regola che era precedentemente solo un concetto teorico ma che è ora oggetto della prima realizzazione sperimentale per sistemi multiparticella.

Oltre a confermare questa regola fondamentale, i ricercatori hanno mappato come queste proprietà cambino attraverso lo spazio fisico del fascio di luce. Hanno scoperto che la relazione tra il conteggio delle particelle e la fase non è uniforme; varia a seconda di dove si guarda all'interno del fascio. Nelle zone più deboli ai bordi del campo luminoso, dove sono presenti meno particelle, la fase è altamente incerta e dispersa. Spostandosi verso il centro più luminoso del fascio, dove le particelle sono più concentrate, la fase è diventata nitida e localizzata. Questa variazione spaziale ha fornito una dimostrazione visiva diretta del compromesso tra il sapere quante particelle ci sono e il conoscere la loro fase. Il team ha anche dimostrato di poter isolare gruppi specifici di particelle con una fase definita, creando efficacemente un nuovo modo per selezionare e manipolare gli stati quantistici. Questa capacità apre la porta all'uso della fase come risorsa per codificare informazioni, offrendo un nuovo strumento per l'elaborazione delle informazioni quantistiche che era precedentemente inaccessibile.

La significatività di questo lavoro risiede nella sua capacità di trasformare un mistero teorico in uno strumento pratico. Per la prima volta, gli scienziati hanno un metodo per misurare la fase quantistica di un sistema multiparticella ricostruendo la matrice di densità e valutando gli osservabili di fase rilevanti, invece di affidarsi a calcoli indiretti o assunzioni. Questo traguardo fornisce una solida base per futuri esperimenti nella metrologia e nel sensing quantistico, dove misurazioni precise della fase possono portare a rilevatori incredibilmente sensibili. Offre anche una nuova prospettiva sulla natura dell'incertezza quantistica, mostrando che la sfocatura del mondo quantistico non è solo un limite, ma una caratteristica strutturata che può essere mappata e compresa. Risolvendo la fase di fino a quindici particelle, i ricercatori hanno colmato il divario tra l'astratta matematica della teoria quantistica e la realtà tangibile della fisica sperimentale, provando che anche le quantità più elusive possono essere messe a fuoco con l'approccio corretto.