I ricercatori dell’Università di Ottawa, Canada, in collaborazione con l’Università La Sapienza di Roma (Danilo Zia e Fabio Sciarrino), hanno dimostrato una nuova tecnica che consente di visualizzare in tempo reale la funzione d’onda di due fotoni in stato di entanglement quantistico, rivelando un’immagine simile al Tai ji tu, il simbolo che rappresenta il concetto di ‘yin yang’. I risultati sono stati pubblicati l’anno scorso su Nature Photonics.
La funzione d’onda, un principio centrale nella meccanica quantistica, fornisce una comprensione completa dello stato quantico di una particella. Nell’esempio della scarpa, la “funzione d’onda” potrebbe contenere informazioni come sinistra o destra, la taglia, il colore e così via.
Più precisamente, la funzione d’onda consente agli scienziati quantistici di prevedere i probabili esiti di varie misurazioni su un’entità quantistica: posizione, velocità, ecc.
Questa capacità predittiva ha un valore inestimabile, soprattutto nel campo in rapido progresso della quantistica, la tecnologia, dove conoscere uno stato quantistico generato o immesso in un computer quantistico consentirà di testare il computer stesso. Inoltre, gli stati quantistici utilizzati in informatica sono estremamente complessi e coinvolgono molte entità che possono mostrare forti correlazioni non locali (entanglement).
Conoscere la funzione d’onda di un tale sistema quantistico è un compito impegnativo, noto anche come tomografia quantistica dello stato, o tomografia quantistica in breve. Con gli approcci standard, basati sulle cosiddette operazioni proiettive, una tomografia completa richiede un numero elevato di misurazioni che aumenta rapidamente con la complessità del sistema (dimensionalità).
Precedenti esperimenti condotti con questo approccio dal gruppo di ricerca hanno dimostrato che la caratterizzazione o la misurazione dello stato quantico ad alta dimensione di due fotoni entangled può richiedere ore o addirittura giorni. Inoltre, la qualità del risultato è altamente sensibile al rumore e dipende dalla complessità del setup sperimentale.
L’approccio della misurazione proiettiva alla tomografia quantistica può essere pensato come guardare le ombre di un oggetto ad alta dimensione, proiettato su pareti diverse da direzioni indipendenti. Tutto ciò che un ricercatore può vedere sono le ombre e da esse può dedurre la forma (stato) dell’intero oggetto.
Ad esempio, nella scansione TC (tomografia computerizzata), le informazioni di un oggetto 3D possono quindi essere ricostruite da una serie di immagini 2D.
Nell’ottica classica, tuttavia, esiste un altro modo per ricostruire un oggetto 3D. Questa si chiama olografia digitale, e si basa sulla registrazione di un’unica immagine, detta interferogramma, ottenuta interferendo la luce diffusa dall’oggetto con una luce di riferimento.
Il team, guidato da Ebrahim Karimi, Canada Research Chair in Structured Quantum Waves, condirettore dell’istituto di ricerca Ottawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT) e professore associato presso la Facoltà di Scienze, ha esteso questo concetto al caso di due fotoni.
Ricostruire uno stato bifotonico richiede di sovrapporlo a uno stato quantistico presumibilmente ben noto, e quindi di analizzare la distribuzione spaziale delle posizioni in cui due fotoni arrivano contemporaneamente. L’immagine dell’arrivo simultaneo di due fotoni è nota come immagine di coincidenza. Questi fotoni possono provenire dalla sorgente di riferimento o dalla sorgente sconosciuta. La meccanica quantistica afferma che la fonte dei fotoni non può essere identificata.
Ciò si traduce in un modello di interferenza che può essere utilizzato per ricostruire la funzione d’onda sconosciuta. Questo esperimento è stato reso possibile da una fotocamera avanzata che registra eventi con una risoluzione di nanosecondi su ciascun pixel.
Il dottor Alessio D’Errico, borsista post-dottorato presso l’Università di Ottawa e uno dei coautori dell’articolo, ha evidenziato gli immensi vantaggi di questo approccio innovativo: “Questo metodo è esponenzialmente più veloce delle tecniche precedenti, richiedendo solo minuti o secondi invece dei giorni. È importante sottolineare che il tempo di rilevamento non è influenzato dalla complessità del sistema, una soluzione alla sfida di scalabilità di lunga data nella tomografia proiettiva“.
L’impatto di questa ricerca va oltre la semplice comunità accademica. Osservando il modo in cui i fotoni in stato entangled interagiscono tra loro, quasi a formare qualcosa che proviene da un tempo molto lontano, in cui probabilmente queste conoscenze scientifiche non erano nemmeno lontanamente contemplate, non si può fare a meno di porsi qualche domanda…
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