Il rilevamento avanzato dell'entanglement apre la strada ai sensori quantistici avanzati

Dall'Università di Innsbruck30 agosto 2023

I fisici di Innsbruck hanno intrecciato tra loro tutte le particelle della catena e hanno prodotto il cosiddetto stato quantistico compresso. Crediti: Steven Burrows e il gruppo Rey/JILA

Le istituzioni metrologiche di tutto il mondo amministrano il nostro tempo, utilizzando orologi atomici basati sulle oscillazioni naturali degli atomi. Questi orologi, fondamentali per applicazioni come la navigazione satellitare o il trasferimento di dati, sono stati recentemente migliorati utilizzando frequenze di oscillazione sempre più elevate negli orologi atomici ottici.

Now, scientists at the University of Innsbruck and the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences led by Christian Roos show how a particular way of creating entanglement can be used to further improve the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">precisione delle misurazioni parte integrante della funzione di un orologio atomico ottico.

Le osservazioni dei sistemi quantistici sono sempre soggette a una certa incertezza statistica. "Ciò è dovuto alla natura del mondo quantistico", spiega Johannes Franke del team di Christian Roos. “L’entanglement può aiutarci a ridurre questi errori”.

Con il supporto della teorica Ana Maria Rey della JILA di Boulder, USA, i fisici di Innsbruck hanno testato in laboratorio la precisione della misurazione su un insieme di particelle intrecciate. I ricercatori hanno utilizzato i laser per regolare l'interazione degli ioni allineati in una camera a vuoto e li hanno intrecciati.

“L’interazione tra particelle vicine diminuisce con la distanza tra le particelle. Pertanto, abbiamo utilizzato le interazioni di scambio di spin per consentire al sistema di comportarsi in modo più collettivo”, spiega Raphael Kaubrügger del Dipartimento di Fisica Teorica dell’Università di Innsbruck.

Pertanto, tutte le particelle della catena erano intrecciate tra loro e producevano il cosiddetto stato quantistico compresso. Usando questo, i fisici sono stati in grado di dimostrare che gli errori di misurazione possono essere approssimativamente dimezzati mettendo in entanglement 51 ioni in relazione alle singole particelle. In precedenza, il rilevamento potenziato dall’entanglement si basava principalmente su infinite interazioni, limitandone l’applicabilità solo a determinate piattaforme quantistiche.

Con i loro esperimenti i fisici quantistici di Innsbruck hanno dimostrato che l’entanglement quantistico rende i sensori ancora più sensibili. "Nei nostri esperimenti abbiamo utilizzato una transizione ottica che viene utilizzata anche negli orologi atomici", afferma Christian Roos. Questa tecnologia potrebbe migliorare i settori in cui vengono attualmente utilizzati gli orologi atomici, come la navigazione satellitare o il trasferimento di dati. Inoltre, questi orologi avanzati potrebbero aprire nuove possibilità in attività come la ricerca della materia oscura o la determinazione delle variazioni temporali delle costanti fondamentali.

Christian Roos e il suo team vogliono ora testare il nuovo metodo in insiemi di ioni bidimensionali. I risultati attuali sono stati pubblicati sulla rivista Nature. Nello stesso numero, i ricercatori hanno pubblicato risultati molto simili utilizzando atomi neutri. La ricerca a Innsbruck è stata sostenuta finanziariamente, tra gli altri, dal Fondo scientifico austriaco FWF e dalla Federazione delle industrie austriache del Tirolo.

Riferimento: “Quantum-enhanced sensing on Optical Transitions through Finite-Range Interactions” di Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi e Christian F. Roos, 30 agosto 2023, Natura.DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z