Proprietà fisica quantistica è il misuratore definitivo

Gli scienziati hanno scoperto che una proprietà fisica chiamata “negatività quantistica” può essere utilizzata per effettuare misurazioni più precise di ...

Proprietà fisica quantistica è il misuratore definitivo.

Gli scienziati hanno scoperto che una proprietà fisica chiamata “negatività quantistica” può essere utilizzata per effettuare misurazioni più precise di tutto, dalle distanze molecolari alle onde gravitazionali.

I ricercatori dell’Università di Cambridge, di Harvard e del MIT, hanno dimostrato che le particelle quantistiche possono trasportare una quantità illimitata di informazioni sulle cose con cui hanno interagito. I risultati, pubblicati sulla rivista Nature Communications, potrebbero consentire misurazioni molto più accurate e alimentare nuove tecnologie, come microscopi super-precisi e computer quantistici.

La metrologia è la scienza delle stime e delle misurazioni. Allo stesso modo in cui si prevede che l’informatica quantistica rivoluzionerà il modo in cui vengono eseguiti i calcoli complicati, la metrologia quantistica, usando lo strano comportamento delle particelle subatomiche, può rivoluzionare il modo in cui misuriamo le cose.

Siamo abituati a gestire quote che vanno dallo 0% (non succede mai) al 100% (succede sempre). Tuttavia, per spiegare i risultati del mondo quantistico, il concetto di probabilità deve essere espanso per includere una chiamata di quasi probabilità, che può essere negativa.

Questa quasi probabilità consente di spiegare concetti quantistici come “l’azione fantasma a distanza” di Einstein e la dualità onda-particella in un linguaggio matematico intuitivo. Ad esempio, la probabilità che un atomo si trovi in ​​una determinata posizione e viaggi con una velocità specifica potrebbe essere un numero negativo, come -5%.

Si dice che un esperimento la cui spiegazione richieda probabilità negative abbia “negatività quantistica“. Gli scienziati hanno ora dimostrato che questa negatività quantistica può aiutare a effettuare misurazioni più accurate.

Tutta la metrologia necessita di sonde, che possono essere semplici bilance o termometri. Tuttavia, nella metrologia all’avanguardia, le sonde sono particelle quantistiche, che possono essere controllate a livello subatomico. Queste particelle quantistiche sono fatte per interagire con l’oggetto da misurare. Quindi le particelle vengono analizzate da un dispositivo di rilevamento.

In teoria, maggiore è il numero di particelle che suonano, più informazioni saranno disponibili per il dispositivo di rilevamento. Ma in pratica, esiste un limite alla velocità con cui i dispositivi di rilevamento possono analizzare le particelle. Lo stesso vale nella vita di tutti i giorni: indossare occhiali da sole può filtrare la luce in eccesso e migliorare la visione. Ma esiste un limite alla quantità di filtri che può migliorare la nostra visione: avere occhiali da sole troppo scuri è dannoso.

“Abbiamo adattato gli strumenti della teoria dell’informazione standard alle quasi-probabilità e abbiamo dimostrato che il filtraggio di particelle quantistiche può condensare informazioni da un milione di particelle in una”, ha affermato l’autore principale Dr. David Arvidsson-Shukur del Cavendish Laboratory di Cambridge.

“Ciò significa che i dispositivi di rilevamento possono operare alla loro portata ideale mentre ricevono informazioni corrispondenti a velocità molto più elevate. Ciò è proibito secondo la normale teoria della probabilità, ma la negatività quantistica lo rende possibile“.

Un gruppo sperimentale presso l’Università di Toronto ha già iniziato a sviluppare la tecnologia per utilizzare questi nuovi risultati teorici. Il loro obiettivo è quello di creare un dispositivo quantistico che utilizza la luce laser a singolo fotone per fornire misurazioni incredibilmente accurate dei componenti ottici. Tali misurazioni sono cruciali per la creazione di nuove tecnologie avanzate, come i computer quantistici fotonici.

“La nostra scoperta apre nuovi entusiasmanti modi di utilizzare i fenomeni quantistici fondamentali nelle applicazioni del mondo reale”, ha affermato Arvidsson-Shukur.

La metrologia quantistica può migliorare le misurazioni di cose che includono distanze, angoli, temperature e campi magnetici. Queste misurazioni più accurate possono portare a tecnologie migliori e più veloci, ma anche a migliori risorse per studiare la fisica fondamentale e migliorare la nostra comprensione dell’universo.

Ad esempio, molte tecnologie si basano sull’allineamento preciso dei componenti o sulla capacità di rilevare piccoli cambiamenti nei campi elettrici o magnetici. Una maggiore precisione nell’allineamento dello specchio può consentire microscopi o telescopi più precisi e modi migliori per misurare il campo magnetico terrestre possono portare a migliori strumenti di navigazione.