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Una nuova tecnica quantistica potrebbe cambiare il modo in cui studiamo l’universo

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C’è una rivoluzione in corso in astronomia. Negli ultimi dieci anni, gli studi sugli esopianeti sono notevolmente avanzati, l’astronomia delle onde gravitazionali è emersa come un nuovo campo e sono state catturate le prime immagini di buchi neri supermassicci (SMBH).

Anche un campo correlato, l’interferometria, è avanzato incredibilmente grazie a strumenti altamente sensibili e alla capacità di condividere e combinare dati provenienti da osservatori di tutto il mondo. In particolare, la scienza dell’interferometria (VLBI) sta aprendo nuove possibilità.

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Secondo un recente studio condotto da ricercatori australiani e di Singapore, una nuova tecnica quantistica potrebbe migliorare il VLBI ottico. È noto come Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), che consente il trasferimento di informazioni quantistiche senza perdite. Quando viene impressa in un codice di correzione dell’errore quantistico, questa tecnica può consentire osservazioni VLBI in lunghezze d’onda precedentemente inaccessibili. Una volta integrata con gli strumenti di nuova generazione, questa tecnica potrebbe consentire studi più dettagliati di buchi neri, esopianeti, sistemi solari e superfici di stelle lontane.

La ricerca è stata guidata da Zixin Huang, un ricercatore post-dottorato presso il  Center for Engineered Quantum Systems (EQuS) presso la Macquarie University di Sydney, in Australia. È stata raggiunta da Gavin Brennan, professore di fisica teorica presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica e il Center of Quantum Technologies presso la National University of Singapore (NUS), e Yingkai Ouyang, ricercatore senior presso il Center of Quantum Technologies al NUS.

Per dirla chiaramente, la tecnica dell’interferometria consiste nel combinare la luce di vari telescopi per creare immagini di un oggetto che altrimenti sarebbe troppo difficile da risolvere. L’interferometria di base molto lunga si riferisce a una tecnica specifica utilizzata in radioastronomia in cui i segnali provenienti da una sorgente radio astronomica (buchi neri, quasar, pulsar, nebulose che formano stelle, ecc.) vengono combinati per creare immagini dettagliate della loro struttura e attività.

Negli ultimi anni, VLBI ha prodotto le immagini più dettagliate delle stelle che orbitano attorno al Sagitarrius A* (Sgr A*), l’SMBH al centro della nostra galassia. Ha anche permesso agli astronomi con la  collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) di catturare la prima immagine di un buco nero (M87*) e dello stesso Sgr A*.

Ma come hanno indicato nel loro studio, l’interferometria classica è ancora ostacolata da diversi limiti fisici, tra cui la perdita di informazioni, il rumore e il fatto che la luce ottenuta è generalmente di natura quantistica (dove i fotoni sono entangled). Affrontando queste limitazioni, VLBI potrebbe essere utilizzato per rilevamenti astronomici molto più raffinati.

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Il dottor Huang ha detto: “Gli attuali sistemi di imaging di base di grandi dimensioni all’avanguardia operano nella banda delle microonde dello spettro elettromagnetico. Per realizzare l’interferometria ottica, è necessario che tutte le parti dell’interferometro siano stabili all’interno una frazione di lunghezza d’onda della luce, quindi la luce può interferireQuesto è molto difficile da fare su grandi distanze: fonti di rumore possono provenire dallo strumento stesso, dilatazioni e contrazioni termiche, vibrazioni e così via; e per di più, ci sono perdite associate agli elementi ottici.

L’idea di questa linea di ricerca è di permetterci di entrare nelle frequenze ottiche delle microonde; queste tecniche si applicano ugualmente all’infrarosso. Possiamo già eseguire l’interferometria a grande base nel microonde. Tuttavia, questo compito diventa molto difficile nelle frequenze ottiche, perché anche l’elettronica più veloce non può misurare direttamente le oscillazioni del campo elettrico a queste frequenze“.

La chiave per superare questi limiti, affermano la dott.ssa Huang e i suoi colleghi, è impiegare tecniche di comunicazione quantistica come il passaggio adiabatico Raman stimolato. STIRAP consiste nell’usare due impulsi di luce coerenti per trasferire informazioni ottiche tra due stati quantistici applicabili. Quando applicato a VLBI, consentirà trasferimenti di popolazione efficienti e selettivi tra stati quantistici senza soffrire dei soliti problemi di rumore o perdita.

Come descrivono nel loro articolo (“Imaging stars with quantum error correction“), il processo che immaginano comporterebbe l’accoppiamento coerente della luce stellare in stati atomici “oscuri” che non si irradiano.

Il passo successivo, ha affermato Huang, è accoppiare la luce con la correzione dell’errore quantistico (QEC), una tecnica utilizzata nell’informatica quantistica per proteggere le informazioni quantistiche dagli errori dovuti alla decoerenza e ad altri “rumore quantistico”.

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Ma come indica lo stesso Huang, questa stessa tecnica potrebbe consentire un’interferometria più dettagliata e accurata: “Per imitare un grande interferometro ottico, la luce deve essere raccolta ed elaborata in modo coerente e proponiamo di utilizzare la correzione dell’errore quantistico per mitigare gli errori dovuti alla perdita e al rumore in questo processo.

La correzione degli errori quantistici è un’area in rapido sviluppo focalizzata principalmente sull’abilitazione del calcolo quantistico scalabile in presenza di errori. In combinazione con l’entanglement pre-distribuito, possiamo eseguire le operazioni che estraggono le informazioni di cui abbiamo bisogno dalla luce delle stelle sopprimendo il rumore“.

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Per testare la loro teoria, il team ha considerato uno scenario in cui due strutture (Alice e Bob) separate da lunghe distanze raccolgono luce astronomica. Ciascuna condivide l’entanglement pre-distribuito e contiene “ricordi quantistici” in cui viene catturata la luce e ognuna prepara il proprio set di dati quantistici (qubit) in un codice QEC. Gli stati quantistici ricevuti vengono quindi impressi su un codice QEC condiviso da un decoder, che protegge i dati da successive operazioni rumorose.

Nella fase “encoder”, il segnale viene catturato nelle memorie quantistiche tramite la tecnica STIRAP, che consente alla luce in ingresso di essere accoppiata in modo coerente in uno stato non radiativo di un atomo.

La capacità di catturare la luce da sorgenti astronomiche che spiegano gli stati quantistici (ed eliminano il rumore quantistico e la perdita di informazioni) sarebbe un punto di svolta per l’interferometria. Inoltre, questi miglioramenti avrebbero implicazioni significative per altri campi dell’astronomia che vengono rivoluzionati anche oggi.

Passando alle frequenze ottiche, una tale rete di imaging quantistico migliorerà la risoluzione dell’immagine da tre a cinque ordini di grandezza“, ha affermato Huang. “Sarebbe abbastanza potente per visualizzare piccoli pianeti attorno a stelle vicine, dettagli dei sistemi solari, cinematica delle superfici stellari, dischi di accrescimento e potenzialmente dettagli attorno agli orizzonti degli eventi dei buchi neri, nessuno dei quali può essere risolto dai progetti attualmente pianificati“.

Nel prossimo futuro, il James Webb Space Telescope (JWST) utilizzerà la sua suite avanzata di strumenti di imaging a infrarossi per caratterizzare le atmosfere degli esopianeti come mai prima d’ora. Lo stesso vale per gli osservatori a terra come l’Extremely Large Telescope (ELT), il Giant Magellan Telescope (GMT) e il Thirty Meter Telescope (TMT).

Tra i loro grandi specchi primari, l’ottica adattiva, i coronografi e gli spettrometri, questi osservatori consentiranno studi di imaging diretto degli esopianeti, fornendo preziose informazioni sulle loro superfici e atmosfere.

Sfruttando le nuove tecniche quantistiche e integrandole con VLBI, gli osservatori avranno un altro modo per catturare immagini di alcuni degli oggetti più inaccessibili e difficili da vedere nel nostro Universo. I segreti che questo potrebbe svelare saranno sicuramente rivoluzionari!

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