È uscito di recente un articolo che presenta un interessante studio che utilizza una nuova tecnica per visualizzare l’entanglement quantistico tra fotoni. L’entanglement quantistico è un fenomeno misterioso in cui due particelle che sono già state in contatto si correlano istantaneamente, indipendentemente dalla distanza che le separa.
La particolarità di questo studio è che l’immagine generata per rappresentare l’entanglement è sorprendentemente simile alla rappresentazione del “tao” nelle filosofie orientali.
Il tao è un concetto che rappresenta l’unità e l’interconnessione di tutte le cose nell’universo.
La prova di questa analogia tra l’immagine del fenomeno quantistico e il tao solleva ulteriori interrogativi sulle connessioni profonde tra la scienza, la filosofia orientale ed il principio fondante della vita stessa.
Ma vediamo insieme cosa dice l’articolo, apparso su www.phys.org
Visualizzazione della danza misteriosa: entanglement quantistico di fotoni catturati in tempo reale
I ricercatori dell’Università di Ottawa, in collaborazione con Danilo Zia e Fabio Sciarrino dell’Università La Sapienza di Roma, hanno recentemente dimostrato una nuova tecnica che consente la visualizzazione in tempo reale della funzione d’onda di due fotoni entangled, le particelle elementari che costituiscono la luce.
Usando l’analogia di un paio di scarpe, il concetto di entanglement può essere paragonato alla scelta di una scarpa a caso. Nel momento in cui identifichi una scarpa, la natura dell’altra (che sia la scarpa sinistra o quella destra) viene immediatamente individuata, indipendentemente dalla sua posizione nell’universo. Tuttavia, il fattore interessante è l’incertezza intrinseca associata al processo di identificazione fino al momento esatto dell’osservazione.
La funzione d’onda, un principio centrale della meccanica quantistica, fornisce una comprensione completa dello stato quantistico di una particella. Ad esempio, nell’esempio della scarpa, la “funzione d’onda” della scarpa potrebbe trasportare 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 risultati di varie misurazioni su un’entità quantistica, ad es. posizione, velocità, ecc.
Questa capacità predittiva ha un valore inestimabile, soprattutto nel campo in rapido progresso della tecnologia quantistica, dove conoscere uno stato quantistico generato o immesso in un computer quantistico consentirà di testare il computer stesso. Inoltre, gli stati quantistici utilizzati nell’informatica quantistica 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: è noto anche come tomografia quantistica dello stato o, in breve, tomografia quantistica. Con gli approcci standard (basati sulle cosiddette operazioni proiettive), una tomografia completa richiede un numero elevato di misurazioni che aumenta rapidamente con la complessità (dimensionalità) del sistema.
Precedenti esperimenti condotti con questo approccio dal gruppo di ricerca hanno dimostrato che la caratterizzazione o la misurazione dello stato quantistico ad alta dimensionalità di due fotoni entangled può richiedere ore o addirittura giorni. Inoltre, la qualità del risultato è altamente sensibile al rumore e dipende dalla complessità dell’apparato sperimentale.
L’approccio di misurazione proiettiva alla tomografia quantistica può essere pensato come l’osservazione delle 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’oggetto completo. Ad esempio, nella TC (tomografia computerizzata), l’informazione di un oggetto 3D può essere ricostruita 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, co-direttore dell’istituto di ricerca uOttawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT) e professore associato presso la Facoltà di Scienze, ha esteso questo concetto al caso di due fotoni.
Per ricostruire uno stato bifotonico è necessario sovrapporlo con uno stato quantistico presumibilmente ben noto e quindi analizzare la distribuzione spaziale delle posizioni in cui due fotoni arrivano simultaneamente. 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 uno schema 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, ricercatore 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 di 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. Ha il potenziale per accelerare i progressi della tecnologia quantistica, come il miglioramento della caratterizzazione dello stato quantistico, la comunicazione quantistica e lo sviluppo di nuove tecniche di imaging quantistico.
Lo studio “Imaging interferometrico dell’ampiezza e della fase degli stati spaziali bifotonici” è stato pubblicato su Nature Photonics.
Traduzione dell’articolo originale: https://phys.org/news/2023-08-visualizing-mysterious-quantum-entanglement-photons.html
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