Esperimento: gli scienziati eludono il principio di indeterminazione di Heisenberg

I fisici in Australia e in Gran Bretagna hanno rimodellato l’incertezza quantistica per eludere la restrizione imposta dal famoso principio di indeterminazione di Heisenberg, un risultato che potrebbe essere alla base della futura tecnologia dei sensori ultraprecisi utilizzati nella navigazione, nella medicina e nell’astronomia.

Il principio di indeterminazione di Heisenberg, introdotto nel 1927, afferma che non è possibile conoscere contemporaneamente determinate coppie di proprietà, come la posizione e la quantità di moto di una particella, con precisione illimitata.

In altre parole, c’è sempre un compromesso nell’incertezza: più una proprietà è fissata, meno certezza c’è sull’altra.

In una ricerca pubblicata su Science Advances, un team guidato dal dottor Tingrei Tan del Nano Institute and School of Physics dell’Università di Sydney ha dimostrato come progettare un diverso compromesso per misurare con precisione posizione e quantità di moto allo stesso tempo.

“Pensa all’incertezza come all’aria in un palloncino”, ha detto il dottor Tan, un Sydney Horizon Fellow della Facoltà di Scienze.

“Non puoi rimuoverla senza far scoppiare il palloncino, ma puoi stringerlo per spostarla. Questo è effettivamente ciò che abbiamo fatto. Spingiamo l’inevitabile incertezza quantistica in luoghi che non ci interessano (grandi salti grossolani di posizione e quantità di moto) in modo che i dettagli fini che ci interessano possano essere misurati in modo più preciso”.

I ricercatori usano anche l’analogia di un orologio per spiegare le loro scoperte (vedi immagine).

Pensa a un normale orologio con due lancette: la lancetta delle ore e la lancetta dei minuti.

Ora immagina che l’orologio abbia una sola lancetta.

Se è la lancetta delle ore, puoi dire che ora è e approssimativamente in quale minuto, ma la lettura dei minuti sarà molto imprecisa.

Se l’orologio ha solo la lancetta dei minuti, puoi leggere i minuti in modo molto preciso, ma perdi traccia del contesto più ampio, in particolare dell’ora in cui ti trovi.

Questa misurazione “modulare” sacrifica alcune informazioni globali in cambio di dettagli molto più precisi.

“Applicando questa strategia nei sistemi quantistici, possiamo misurare i cambiamenti sia nella posizione che nella quantità di moto di una particella in modo molto più preciso”, ha detto il primo autore, il dottor Christophe Valahu del team del Quantum Control Laboratory dell’Università di Sydney.

“Rinunciamo all’informazione globale, ma acquisiamo la capacità di rilevare piccoli cambiamenti con una sensibilità senza precedenti”.

Strumenti di calcolo quantistico per un nuovo protocollo di rilevamento

Questa strategia è stata delineata teoricamente nel 2017. Qui, il team del dottor Tan ha eseguito la prima dimostrazione sperimentale utilizzando un approccio tecnologico che avevano precedentemente sviluppato per i computer quantistici corretti dagli errori, un risultato recentemente pubblicato su Nature Physics.

“È un bel crossover dall’informatica quantistica al rilevamento”, ha detto il co-autore, il professor Nicolas Menicucci, teorico dell’Università RMIT.

“Le idee inizialmente progettate per i computer quantistici robusti possono essere riutilizzate in modo che i sensori raccolgano i segnali più deboli senza essere soffocati dal rumore quantistico.

Il team di Sydney ha implementato il protocollo di rilevamento utilizzando il minuscolo movimento vibrazionale di uno ione intrappolato, l’equivalente quantistico di un pendolo.

Hanno preparato lo ione in “stati griglia”, un tipo di stato quantistico originariamente sviluppato per il calcolo quantistico corretto dagli errori.

Con questo, hanno dimostrato che sia la posizione che la quantità di moto possono essere misurate insieme con una precisione oltre il “limite quantistico standard”, il meglio ottenibile utilizzando solo sensori classici.

“Non abbiamo infranto il principio di Heisenberg. Il nostro protocollo funziona interamente nell’ambito della meccanica quantistica”, ha affermato il dottor Ben Baragiola, coautore di RMIT.

“Lo schema è ottimizzato per piccoli segnali, dove i dettagli fini contano più di quelli grossolani.

Perché è importante 

La capacità di rilevare cambiamenti estremamente piccoli è importante in tutta la scienza e la tecnologia.

I sensori quantistici ultraprecisi potrebbero affinare la navigazione in ambienti in cui il GPS non funziona (come sottomarini, voli sotterranei o spaziali); migliorare l’imaging biologico e medico; monitorare i materiali e i sistemi gravitazionali; o sondare la fisica fondamentale.

Sebbene sia ancora in fase di laboratorio, l’esperimento dimostra un nuovo quadro per le future tecnologie di rilevamento mirate alla misurazione di piccoli segnali.

Piuttosto che sostituire gli approcci esistenti, aggiunge uno strumento complementare alla cassetta degli attrezzi del rilevamento quantistico.

“Proprio come gli orologi atomici hanno trasformato la navigazione e le telecomunicazioni, i sensori quantistici con estrema sensibilità potrebbero abilitare intere nuove industrie”, ha affermato il dottor Valahu.

Uno sforzo collaborativo

Questo progetto ha riunito gli sperimentatori dell’Università di Sydney con i teorici del RMIT, dell’Università di Melbourne, della Macquarie University e dell’Università di Bristol in Gran Bretagna.

Mostra come la collaborazione tra istituzioni e confini possa accelerare il progresso e rafforzare la comunità di ricerca quantistica australiana.

“Questo lavoro evidenzia il potere della collaborazione e le connessioni internazionali che guidano la scoperta”, ha detto il dottor Tan.

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