Quantum Advantage in Sensing and Imaging through Coherent Nuisance Suppression

Nel mondo dell'astronomia e della microscopia, l'obiettivo è sempre quello di vedere i dettagli più deboli dell'universo, dalle stelle lontane alle minuscole cellule. Per farlo, gli scienziati si affidano alla luce, catturando fotoni che viaggiano da una sorgente a un rilevatore. Tuttavia, il percorso che questi fotoni compiono è raramente fluido. Mentre la luce attraversa l'atmosfera o sistemi ottici complessi, incontra turbolenze, correnti d'aria variabili e imperfezioni che distorcono l'immagine. Queste distorsioni agiscono come un velo, sfocando l'immagine e nascondendo la vera forma dell'oggetto osservato. Tradizionalmente, gli scienziati hanno cercato di risolvere il problema misurando la distorsione stessa e poi sottraendola dai dati, un processo che richiede una quantità enorme di luce e tempo per essere accurato. Quando l'oggetto è molto debole, questo metodo fallisce perché semplicemente non ci sono abbastanza fotoni per misurare sia il rumore che l'oggetto.

Un team di ricercatori ha proposto un modo fondamentalmente diverso per gestire questo problema, uno che tratta il rumore non come un problema da risolvere separatamente, ma come una condizione condivisa che può essere cancellata direttamente. Invece di misurare ogni fotone individualmente e cercare di ricostruire l'immagine in un secondo momento, il loro nuovo approccio cattura più fotoni e li elabora insieme mentre sono ancora in un fragile stato quantistico. Mantenendo questi fotoni legati e confrontandoli tra loro prima che vengano misurati, il sistema può identificare le parti del segnale che sono comuni a tutti loro — il rumore — e rimuoverle, lasciando solo l'informazione univoca sull'oggetto. Questa tecnica, che chiamano soppressione coerente del disturbo (coherent nuisance suppression), permette a una fotocamera di vedere attraverso la sfocatura con molti meno fotoni rispetto a quanto mai visto prima, potenzialmente rivoluzionando il modo in cui osserviamo il cosmo e il mondo microscopico.

I ricercatori, che lavorano da istituzioni tra cui l'Università di Harvard e la NASA, hanno introdotto un concetto che chiamano "fotocamera quantistica". In una fotocamera standard, la luce colpisce un sensore e, nel momento in cui arriva un fotone, viene convertito in un numero digitale. Questo processo distrugge le delicate connessioni quantistiche tra i fotoni. Nella fotocamera quantistica, la luce viene prima catturata e conservata in una speciale matrice di bit quantistici, o qubit, che fungono da memoria. Ciò consente alla fotocamera di trattenere lo stato di diversi fotoni contemporaneamente. Una volta memorizzati, i fotoni vengono elaborati insieme da un computer quantistico. L'intuizione chiave è che, sebbene l'atmosfera distorca ogni fotone, distorce i fotoni vicini in un modo molto simile. Guardando alla relazione tra due fotoni piuttosto che a ciascuno di essi isolatamente, il sistema può cancellare matematicamente la distorsione condivisa. Il risultato è un segnale chiaro che rivela la posizione e il movimento dell'oggetto, anche se le immagini individuali di quei fotoni sarebbero state completamente irriconoscibili.

Per testare questa idea, il team ha sviluppato un algoritmo specifico chiamato campionamento di Fourier relazionale (relational Fourier sampling). Questo metodo non ha bisogno di sapere in anticipo com'è fatto l'oggetto, quanto sia luminoso o quanti oggetti siano presenti nella scena. Esso estrae semplicemente le relazioni essenziali tra le onde luminose per ricostruire l'immagine. I ricercatori hanno eseguito simulazioni dettagliate per vedere come questo avrebbe funzionato in condizioni reali, specificamente per telescopi terrestri che osservano il cielo notturno. Hanno modellato l'atmosfera come uno strato turbolento e mutevole che distorce la luce, in modo simile a come il calore che sale da una strada fa tremolare l'aria. In queste simulazioni, hanno confrontato la loro fotocamera quantistica con i migliori metodi classici possibili, che includono tecniche avanzate che cercano di prevedere e correggere la distorsione atmosferica utilizzando misurazioni passate.

I risultati sono stati sorprendenti. Per il compito di distinguere due stelle deboli che sono molto vicine tra loro, la fotocamera quantistica ha richiesto più di mille volte meno fotoni per raggiungere lo stesso livello di chiarezza dei metodi classici. In uno scenario specifico che coinvolge un telescopio da otto metri, il sistema quantistico poteva risolvere la separazione tra due stelle utilizzando solo circa 15 unità di elaborazione quantistica e un circuito di operazioni molto breve. Al contrario, un sistema classico avrebbe dovuto raccogliere un numero enorme di fotoni per superare la sfocatura atmosferica, richiedendo spesso tempi di osservazione impraticabili per oggetti deboli. Il vantaggio è stato ancora più drammatico nel tracciare oggetti in movimento, come gli asteroidi. La fotocamera quantistica poteva prevedere la traiettoria futura di un asteroide veloce con molta più precisione, utilizzando una frazione della luce di cui avrebbe avuto bisogno un telescopio tradizionale. Ciò significa che, con lo stesso tempo di osservazione, una fotocamera quantistica potrebbe vedere oggetti che sono significativamente più deboli o che si muovono molto più velocemente di quanto sia attualmente possibile.

Il documento sottolinea che questo vantaggio non è solo una possibilità teorica, ma una separazione matematica provata. I ricercatori hanno dimostrato che, per una vasta gamma di condizioni realistiche, l'approccio quantistico è esponenzialmente più efficiente di qualsiasi strategia classica che misuri i fotoni uno alla volta o in piccoli gruppi separati. Hanno dimostrato che questa efficienza si mantiene anche quando il sistema classico ha una conoscenza perfetta delle condizioni atmosferiche e utilizza gli algoritmi di previsione più sofisticati disponibili. Il metodo quantistico funziona perché accede a informazioni che è fisicamente impossibile recuperare una volta che i fotoni sono stati misurati separatamente. Mantenendo i fotoni in uno stato quantistico e processandoli congiuntamente, la fotocamera preserva le sottili correlazioni che trasportano la vera immagine, mentre il rumore si cancella da solo.

Sebbene il documento descriva un algoritmo funzionante e forti risultati di simulazione, esso riconosce anche le sfide pratiche nel costruire un tale dispositivo. La tecnologia richiede la capacità di catturare singoli fotoni e trasferire il loro stato in una memoria quantistica con alta fedeltà, un traguardo che viene attualmente sviluppato nei laboratori. I ricercatori osservano che l'hardware necessario è relativamente modesto rispetto ai massicci computer quantistici spesso discussi per altri compiti; la loro fotocamera proposta richiederebbe solo poche decine di qubit e circuiti semplici. Indicano inoltre che il metodo è robusto contro i piccoli errori che l'attuale hardware potrebbe introdurre. Il lavoro suggerisce che la strada verso un vantaggio quantistico pratico nel rilevamento non richiede l'attesa di macchine perfette e prive di errori, quanto piuttosto l'integrazione della memoria e dell'elaborazione quantistica nei sistemi ottici esistenti.

Questa ricerca apre una nuova porta all'astronomia, dove la capacità di vedere oggetti deboli, veloci o ravvicinati è limitata dal rumore dell'atmosfera. Usando la natura quantistica della luce per sopprimere direttamente questo rumore, la fotocamera quantistica potrebbe permettere ai telescopi terrestri di svolgere compiti che attualmente richiedono osservatori spaziali o tempi di osservazione proibitivi. Gli stessi principi potrebbero applicarsi ad altri campi in cui i segnali sono sepolti nel rumore, dalla diagnostica medica al tracciamento dei satelliti. Lo studio conclude che, spostando l'attenzione dalla misurazione del rumore alla sua cancellazione attraverso l'elaborazione quantistica congiunta, possiamo sbloccare un nuovo livello di sensibilità nel nostro modo di osservare il mondo, trasformando i limiti del nostro ambiente in un puzzle risolvibile.