Un team di ricercatori guidato da Philip Walther dell’Università di Vienna ha condotto un esperimento pionieristico in cui i ricercatori hanno misurato l’effetto della rotazione della Terra sui fotoni quantistici entangled. Il lavoro rappresenta un risultato significativo che spinge i confini della sensibilità alla rotazione nei sensori basati sull’entanglement, ponendo potenzialmente le basi per ulteriori esplorazioni all’intersezione tra meccanica quantistica e relatività generale.
Gli interferometri ottici Sagnac
Gli interferometri ottici Sagnac sono i dispositivi più sensibili alle rotazioni. Sono stati fondamentali nella comprensione della fisica fondamentale fin dai primi anni del secolo scorso, contribuendo a stabilire la teoria della relatività speciale di Einstein. Oggi, la loro impareggiabile precisione li rende lo strumento definitivo per misurare la velocità di rotazione, limitato solo dai confini della fisica classica.
Gli interferometri che utilizzano l’entanglement quantistico hanno il potenziale per rompere questi limiti. Se due o più particelle sono intrecciate, si conosce solo lo stato complessivo, mentre lo stato della singola particella rimane indeterminato fino alla misurazione.
Questo può essere utilizzato per ottenere più informazioni per misurazione di quanto sarebbe possibile senza di esso. Tuttavia, il promesso salto di qualità in termini di sensibilità è stato ostacolato dalla natura estremamente delicata dell’entanglement. È qui che l’esperimento di Vienna ha fatto la differenza.
Lo studio sui fotoni quantistici entangled
I ricercatori hanno costruito un gigantesco interferometro Sagnac a fibra ottica e hanno mantenuto il rumore basso e stabile per diverse ore. Questo ha consentito il rilevamento di coppie di fotoni quantistici entangled di alta qualità sufficienti a superare di mille volte la precisione di rotazione dei precedenti interferometri ottici quantistici Sagnac.
In un interferometro di Sagnac, due particelle che viaggiano in direzioni opposte lungo un percorso rotante chiuso raggiungono il punto di partenza in tempi diversi. Con due particelle aggrovigliate la situazione diventa interessante: si comportano come una singola particella testando entrambe le direzioni contemporaneamente accumulando un ritardo temporale doppio rispetto allo scenario in cui non è presente alcun aggrovigliamento.
Questa proprietà unica è nota come superrisoluzione. Nell’esperimento vero e proprio, due fotoni quantistici entangled intrecciati si propagavano all’interno di una fibra ottica lunga 2 chilometri avvolta su un’enorme bobina, realizzando un interferometro con un’area effettiva di oltre 700 metri quadrati.
Un ostacolo significativo che i ricercatori hanno dovuto affrontare è stato isolare ed estrarre il segnale di rotazione costante della Terra: “Il nocciolo della questione sta nello stabilire un punto di riferimento per la nostra misurazione, dove la luce non viene influenzata dall’effetto di rotazione della Terra. Data la nostra incapacità di fermare la rotazione della Terra, abbiamo ideato una soluzione alternativa: dividere la fibra ottica in due bobine di uguale lunghezza e collegandoli tramite un interruttore ottico“, ha spiegato l’autore principale Raffaele Silvestri.
Accendendo e spegnendo l’interruttore, i ricercatori hanno potuto effettivamente annullare il segnale di rotazione a piacimento, cosa che ha permesso loro anche di estendere la stabilità del loro grande apparato: “Abbiamo praticamente ingannato la luce facendole credere di trovarsi in un Universo non rotante“, ha aggiunto Silvestri.
L’esperimento, condotto nell’ambito della rete di ricerca TURIS ospitata dall’Università di Vienna e dall’Accademia austriaca delle scienze, ha osservato con successo l’effetto della rotazione della Terra su uno stato di due fotoni quantistici entangled.
Conclusioni
Questo ha confermato l’interazione tra i sistemi di riferimento rotanti e l’entanglement quantistico, come descritto nella teoria speciale della relatività e nella meccanica quantistica di Einstein, con un miglioramento della precisione mille volte rispetto agli esperimenti precedenti.
“Questo rappresenta una pietra miliare significativa poiché, un secolo dopo la prima osservazione della rotazione della Terra con la luce, l’entanglement dei singoli quanti di luce è finalmente entrato negli stessi regimi di sensibilità“, ha specificato Haocun Yu, che ha lavorato a questo esperimento come Marie-Curie Borsista postdottorato.
“Credo che il nostro risultato e la nostra metodologia sui fotoni quantistici entangled getteranno le basi per ulteriori miglioramenti nella sensibilità alla rotazione dei sensori basati sull’entanglement. Questo potrebbe aprire la strada a futuri esperimenti che testeranno il comportamento dell’entanglement quantistico attraverso le curve dello spaziotempo”, ha concluso Philip Walther.
Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.
