Ciò che un tempo il celebre fisico Werner Heisenberg aveva dichiarato impossibile, ora è realtà. Una collaborazione internazionale di fisici, con una leadership australiana, ha messo a punto un protocollo che, pur rispettando le leggi della meccanica quantistica, permette di misurare simultaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella con una precisione senza precedenti. Questo risultato rivoluzionario, pubblicato su Science Advances, apre la strada a una nuova generazione di sensori quantistici ultra-sensibili, con applicazioni che spaziano dalla navigazione sottomarina alla medicina e all’astronomia.
Il principio di incertezza e il “pallone” quantistico
Introdotto nel 1927, il Principio di Incertezza di Heisenberg è uno dei pilastri della fisica moderna. Esso stabilisce che non è possibile conoscere con precisione illimitata e contemporaneamente coppie di proprietà “coniugate” di una particella, come appunto la sua posizione e la sua quantità di moto (o impulso). C’è sempre un compromesso: più si è certi di una proprietà, meno si è certi dell’altra.
Il team, guidato dal Dr. Tingrei Tan dell’Università di Sydney Nano Institute e School of Physics, ha trovato un modo ingegnoso per “rimodellare” questa incertezza, invece di eliminarla.
“Pensate all’incertezza come all’aria in un pallone“, spiega Tan. “Non è possibile eliminarla senza far scoppiare il palloncino, ma è possibile comprimerla per spostarla. È proprio quello che abbiamo fatto. Spostiamo l’inevitabile incertezza quantistica in luoghi che non ci interessano (grandi e grossolani salti di posizione e quantità di moto), in modo che i dettagli più fini che ci interessano possano essere misurati con maggiore precisione“.
L’analogia dell’orologio
Per spiegare il metodo, i ricercatori usano l’analogia di un orologio. Immaginate un orologio con una sola lancetta. Se fosse solo la lancetta delle ore, sapreste l’ora in modo preciso ma il minuto in modo molto impreciso. Se fosse solo quella dei minuti, potreste leggere i minuti con grande precisione, ma perdereste la cognizione dell’ora esatta.
Questo è il concetto di misurazione “modulare”: si sacrifica una parte dell’informazione globale (l’ora intera o il contesto più ampio) in cambio di un dettaglio estremamente fine (il minuto o una piccola variazione).
“Applicando questa strategia ai sistemi quantistici, possiamo misurare i cambiamenti sia nella posizione che nella quantità di moto di una particella in modo molto più preciso“, afferma il primo autore, Christophe Valahu dell’Università di Sydney. “Rinunciamo all’informazione globale ma guadagniamo la capacità di rilevare cambiamenti infinitesimi con una sensibilità senza precedenti“.
Dal quantum computing ai sensori di nuova generazione
Il successo sperimentale di questo protocollo, precedentemente solo teorizzato nel 2017, è stato reso possibile grazie a strumenti concettuali nati nel campo del quantum computing. Il team ha riproposto una tecnica originariamente sviluppata per i computer quantistici a correzione di errore, che prevedeva l’utilizzo di particolari “stati a griglia” (grid states).
Il protocollo di rilevamento è stato implementato utilizzando il minuscolo movimento vibrazionale di uno ione intrappolato, l’equivalente quantistico di un pendolo. Con questa configurazione, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile misurare congiuntamente posizione e quantità di moto con una precisione che va oltre il “limite quantistico standard”, la migliore raggiungibile con i soli sensori classici.
“Non abbiamo violato il principio di Heisenberg. Il nostro protocollo funziona interamente all’interno della meccanica quantistica“, chiarisce il co-autore Ben Baragiola della RMIT University. “Lo schema è ottimizzato per i segnali piccoli, dove i dettagli fini contano più di quelli grossolani“.
Il futuro dell’ipersensibilità
La capacità di rilevare cambiamenti estremamente piccoli è fondamentale per il progresso scientifico e tecnologico. Questi sensori quantistici ultra-precisi potrebbero:
- Migliorare la navigazione in ambienti privi di GPS (sottomarini, sottosuolo o spazio);
- Potenziare l’imaging biologico e medicale;
- Monitorare materiali e sistemi gravitazionali;
- Indagare la fisica fondamentale.
L’esperimento, sebbene ancora in fase di laboratorio, dimostra una nuova strategia fondamentale per le future tecnologie di rilevamento. Non si tratta di una sostituzione degli approcci esistenti, ma di un potente strumento complementare che si aggiunge al “kit” dei sensori quantistici.
“Così come gli orologi atomici hanno trasformato la navigazione e le telecomunicazioni, i sensori quantistici con estrema sensibilità potrebbero dare vita a settori industriali completamente nuovi“, conclude Valahu.
La ricerca, frutto di una stretta collaborazione tra sperimentatori dell’Università di Sydney e teorici della RMIT University, dell’Università di Melbourne, della Macquarie University e dell’Università di Bristol nel Regno Unito, sottolinea come l’unione di diverse competenze e istituzioni stia accelerando il progresso nel campo quantistico a livello globale.
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