Prima di procedere
Un team di ricercatori ha compiuto un passo avanti significativo nel campo della fisica quantistica, riuscendo a controllare in tempo reale l'incertezza quantistica attraverso l'utilizzo di impulsi laser ultraveloci. Questa innovazione, pubblicata sulla rivista Light: Science & Applications, promette di rivoluzionare le comunicazioni quantistiche e di aprire nuove strade per tecnologie avanzate.
Il principio di incertezza di Heisenberg, un concetto cardine della meccanica quantistica, afferma che è impossibile misurare simultaneamente con precisione assoluta alcune coppie di proprietà fisiche di una particella, come la posizione e l'impulso. In altre parole, più precisamente si conosce una proprietà, meno precisamente si può conoscere l'altra. Questo limite fondamentale ha implicazioni profonde sulla nostra comprensione del mondo subatomico.
I ricercatori, guidati dal professor Mohammed Hassan, hanno sfruttato le proprietà uniche della luce compressa, una forma di luce quantistica in cui la fluttuazione di una delle due proprietà correlate (come l'ampiezza e la fase) è ridotta al di sotto del limite quantistico standard, a scapito di un aumento della fluttuazione dell'altra proprietà. Immaginate un palloncino: se lo schiacciate da un lato, si espande dall'altro. Allo stesso modo, nella luce compressa, si riduce l'incertezza in una proprietà, aumentando l'incertezza nell'altra.
Fino ad ora, la generazione di luce compressa era limitata a impulsi laser di durata relativamente lunga, misurata in millisecondi. La vera svolta di questa ricerca è stata la capacità di generare luce compressa utilizzando impulsi laser ultraveloci, misurati in femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo). Questo risultato rappresenta una convergenza senza precedenti tra l'ottica quantistica e la scienza degli ultraveloci, aprendo un nuovo campo di studio.
La sfida principale nella creazione di luce compressa con impulsi femtosecondi risiedeva nella necessità di sincronizzare le fasi tra laser di colori diversi, un compito che richiedeva configurazioni complesse e apparecchiature specializzate. Per superare questo ostacolo, il team ha sviluppato una tecnica basata su un processo chiamato "miscelazione a quattro onde degenere". Questo processo prevede l'interazione di più sorgenti luminose tra loro. Nello specifico, i ricercatori hanno diviso un raggio laser in tre raggi identici e li hanno focalizzati su una piastra di quarzo fuso. Questo processo ha permesso di generare luce quantistica ultraveloce.
A differenza dei precedenti approcci che miravano a ridurre l'incertezza quantistica nella fase del fotone, il team di Hassan è riuscito a creare luce compressa riducendo l'incertezza nell'intensità del fotone. Hanno controllato l'incertezza quantistica misurando le variazioni tra l'intensità e la riduzione delle fluttuazioni di fase, regolando la posizione della piastra di quarzo fuso rispetto al raggio diviso. Quando la piastra è posizionata perpendicolarmente agli impulsi luminosi, i fotoni arrivano contemporaneamente. Modificando leggermente l'angolo di incidenza, uno dei fotoni arriva con un leggero anticipo, permettendo di regolare il grado di compressione della luce.
Questa è la prima dimostrazione al mondo di luce compressa ultraveloce, nonché la prima misurazione e il primo controllo dell'incertezza quantistica in tempo reale. Combinando i laser ultraveloci con l'ottica quantistica, i ricercatori aprono la strada a una nuova era di ottica quantistica ultraveloce.
Per valutare il potenziale della loro tecnica, gli esperti l'hanno testata nel campo della comunicazione sicura. Mentre gli impulsi di luce ultraveloci e compressa sono stati finora utilizzati separatamente per trasmettere dati binari, la loro combinazione promette di migliorare sia la velocità che la sicurezza. Nelle reti di comunicazione quantistica, qualsiasi tentativo di intercettazione viene immediatamente rilevato. Teoricamente, un malintenzionato potrebbe ottenere i dati attraverso una chiave di decodifica. Tuttavia, con la tecnica sviluppata dal team di Hassan, la spia non solo disturberebbe lo stato quantistico, ma dovrebbe anche conoscere la chiave e l'ampiezza esatta dell'impulso. La sua interferenza influenzerebbe la compressione dell'ampiezza, il che significa che non sarebbe in grado di determinare la corretta incertezza, rendendo inesatti tutti i dati decodificati.
Oltre alla comunicazione sicura, la luce quantistica femtosecondo potrebbe essere utilizzata per migliorare il rilevamento quantistico, le tecnologie di diagnostica medica, la ricerca di nuovi composti farmaceutici e il monitoraggio ambientale. Questa scoperta rappresenta un passo avanti fondamentale verso lo sfruttamento del potenziale della meccanica quantistica per applicazioni pratiche nel mondo reale.
