Svolta senza precedenti nella manipolazione dei fotoni

Per la prima volta, gli scienziati dell'Università di Sydney e dell'Università di Basilea in Svizzera hanno dimostrato la capacità di manipolare e identificare piccoli numeri di fotoni interagenti - pacchetti di energia luminosa - con un'elevata correlazione

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Svolta senza precedenti nella manipolazione dei fotoni
Svolta senza precedenti nella manipolazione dei fotoni

Per la prima volta, gli scienziati dell’Università di Sydney e dell’Università di Basilea in Svizzera hanno dimostrato la capacità di manipolare e identificare piccoli numeri di fotoni interagenti – pacchetti di energia luminosa – con un’elevata correlazione.

Questo risultato senza precedenti rappresenta un’importante pietra miliare nello sviluppo delle tecnologie quantistiche

L’emissione di luce stimolata, postulata da Einstein nel 1916, è ampiamente osservata per un gran numero di fotoni e ha gettato le basi per l’invenzione del laser. Grazie a questa ricerca ora è stata osservata l’emissione stimolata per singoli fotoni.

Nello specifico, gli scienziati hanno potuto misurare il ritardo di tempo diretto tra un fotone e una coppia di fotoni legati che si diffondono da un singolo punto quantico, un tipo di atomo creato artificialmente.

Gli stati legati alla fotonica potrebbero far progredire l’imaging medico e il calcolo quantistico

“Questa scoperta apre la porta alla manipolazione di ciò che possiamo chiamare ‘luce quantistica e aggiunge una pietra miliare ai progressi nelle tecniche di misurazione quantistica e nel calcolo quantistico fotonico”, ha affermato il dott. Sahand Mahmoodian della School of Physics dell’Università di Sydney e coautore principale della ricerca.

Osservando come la luce interagiva con la materia più di un secolo fa, gli scienziati hanno scoperto che la luce non era un raggio di particelle, né un modello ondulatorio di energia, ma esibiva entrambe le caratteristiche, note come dualità onda-particella.



Il modo in cui la luce interagisce con la materia continua ad affascinare gli scienziati e l’immaginazione umana, sia per la sua bellezza teorica che per la sua potente applicazione pratica.

Che si tratti di come la luce attraversa i vasti spazi del mezzo interstellare o dello sviluppo del laser, la ricerca sulla luce è una scienza vitale con importanti usi pratici. Senza queste basi teoriche, praticamente tutta la tecnologia moderna sarebbe impossibile. Nessun telefono cellulare, nessuna rete di comunicazione globale, nessun computer, nessun GPS , nessuna moderna diagnostica per immagini potrebbe esistere.

Un vantaggio dell’utilizzo della luce nella comunicazione, attraverso le fibre ottiche, è che i pacchetti di energia luminosa, i fotoni, non interagiscono facilmente tra loro. Ciò crea un trasferimento di informazioni quasi privo di distorsioni alla velocità della luce.

Tuttavia, a volte vogliamo che la luce interagisca. E qui le cose si complicano.

Ad esempio, la luce viene utilizzata per misurare piccoli cambiamenti di distanza utilizzando strumenti chiamati interferometri. Questi strumenti di misurazione sono ormai all’ordine del giorno, sia che si tratti di imaging medico avanzato, o sotto forma di strumenti sofisticati come LIGO, che ha misurato per la prima volta le onde gravitazionali nel 2015.

Tuttavia, le leggi della meccanica quantistica pongono dei limiti alla sensibilità di tali dispositivi.

Questo limite è impostato tra la sensibilità di una misurazione e il numero medio di fotoni nel dispositivo di misurazione. 

L’autore principale congiunto, la dott.ssa Natasha Tomm dell’Università di Basilea, ha dichiarato: “Il dispositivo che abbiamo costruito ha indotto interazioni così forti tra i fotoni che siamo stati in grado di osservare la differenza tra un fotone che interagisce con esso rispetto a due. Abbiamo osservato che un fotone è stato ritardato di un tempo maggiore rispetto a due fotoni. Con questa interazione fotone-fotone davvero forte, i due fotoni si intrecciano sotto forma di quello che viene chiamato uno stato legato a due fotoni”.

La luce quantistica come questa ha il vantaggio di poter, in linea di principio, effettuare misurazioni più sensibili con una migliore risoluzione utilizzando meno fotoni. Questo può essere importante per applicazioni in microscopia biologica quando grandi intensità di luce possono danneggiare i campioni e dove le caratteristiche da osservare sono particolarmente piccole.

“Dimostrando che possiamo identificare e manipolare gli stati legati ai fotoni, abbiamo compiuto un primo passo fondamentale verso lo sfruttamento della luce quantistica per un uso pratico”, ha affermato il dott. Mahmoodian.

“I prossimi passi della mia ricerca sono vedere come questo approccio può essere utilizzato per generare stati di luce utili per il calcolo quantistico tollerante ai guasti, che viene perseguito da aziende multimilionarie, come PsiQuantum e Xanadu”.

La dottoressa Tomm ha aggiunto: “Questo esperimento è bellissimo, non solo perché convalida un effetto fondamentale – l’emissione stimolata – al suo limite estremo, ma rappresenta anche un enorme passo avanti tecnologico verso applicazioni avanzate. Possiamo applicare gli stessi principi per sviluppare dispositivi più efficienti che ci danno stati legati ai fotoni. Questo è molto promettente per applicazioni in una vasta gamma di settori: dalla biologia alla produzione avanzata e all’elaborazione quantistica delle informazioni”.

La ricerca è stata una collaborazione tra l’ Università di Basilea, l’Università Leibniz di Hannover, l’ Università di Sydney e l’ Università della Ruhr di Bochum.

Fonte: Nature Physics

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