Visualizzazione della danza misteriosa: entanglement quantistico di fotoni catturati nella realtà

21 agosto 2023

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dall'Università di Ottawa

I ricercatori dell’Università di Ottawa, in collaborazione con Danilo Zia e Fabio Sciarrino dell’Università La Sapienza di Roma, hanno recentemente dimostrato una nuova tecnica che consente la visualizzazione della funzione d’onda di due fotoni entangled, le particelle elementari che costituiscono la luce, in realtà tempo.

Usando l’analogia di un paio di scarpe, il concetto di entanglement può essere paragonato alla scelta di una scarpa a caso. Nel momento in cui identifichi una scarpa, la natura dell'altra (che sia la scarpa sinistra o quella destra) viene immediatamente individuata, indipendentemente dalla sua posizione nell'universo. Tuttavia, il fattore interessante è l’incertezza intrinseca associata al processo di identificazione fino al momento esatto dell’osservazione.

La funzione d'onda, un principio centrale della meccanica quantistica, fornisce una comprensione completa dello stato quantistico di una particella. Ad esempio, nell'esempio della scarpa, la "funzione d'onda" della scarpa potrebbe trasportare informazioni come sinistra o destra, la taglia, il colore e così via.

Più precisamente, la funzione d'onda consente agli scienziati quantistici di prevedere i probabili risultati di varie misurazioni su un'entità quantistica, ad esempio posizione, velocità, ecc.

Questa capacità predittiva ha un valore inestimabile, soprattutto nel campo in rapido progresso della tecnologia quantistica, dove conoscere uno stato quantistico generato o immesso in un computer quantistico consentirà di testare il computer stesso. Inoltre, gli stati quantistici utilizzati nell’informatica quantistica sono estremamente complessi e coinvolgono molte entità che possono mostrare forti correlazioni non locali (entanglement).

Conoscere la funzione d'onda di un tale sistema quantistico è un compito impegnativo: è noto anche come tomografia quantistica dello stato o, in breve, tomografia quantistica. Con gli approcci standard (basati sulle cosiddette operazioni proiettive), una tomografia completa richiede un numero elevato di misurazioni che aumenta rapidamente con la complessità (dimensionalità) del sistema.

Precedenti esperimenti condotti con questo approccio dal gruppo di ricerca hanno dimostrato che la caratterizzazione o la misurazione dello stato quantistico ad alta dimensionalità di due fotoni entangled può richiedere ore o addirittura giorni. Inoltre, la qualità del risultato è altamente sensibile al rumore e dipende dalla complessità dell'apparato sperimentale.

L’approccio di misurazione proiettiva alla tomografia quantistica può essere pensato come l’osservazione delle ombre di un oggetto ad alta dimensione proiettato su pareti diverse da direzioni indipendenti. Tutto ciò che un ricercatore può vedere sono le ombre e da esse può dedurre la forma (stato) dell'oggetto completo. Ad esempio, nella TC (tomografia computerizzata), l'informazione di un oggetto 3D può essere ricostruita da una serie di immagini 2D.

Nell'ottica classica, tuttavia, esiste un altro modo per ricostruire un oggetto 3D. Questa si chiama olografia digitale, e si basa sulla registrazione di un'unica immagine, detta interferogramma, ottenuta interferendo la luce diffusa dall'oggetto con una luce di riferimento.

Il team, guidato da Ebrahim Karimi, Canada Research Chair in Structured Quantum Waves, co-direttore dell'istituto di ricerca uOttawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT) e professore associato presso la Facoltà di Scienze, ha esteso questo concetto al caso di due fotoni.

Per ricostruire uno stato bifotonico è necessario sovrapporlo con uno stato quantistico presumibilmente ben noto e quindi analizzare la distribuzione spaziale delle posizioni in cui due fotoni arrivano simultaneamente. L'immagine dell'arrivo simultaneo di due fotoni è nota come immagine di coincidenza. Questi fotoni possono provenire dalla sorgente di riferimento o dalla sorgente sconosciuta. La meccanica quantistica afferma che la fonte dei fotoni non può essere identificata.