L’entanglement quantistico per misurare la rotazione terrestre

I fotoni entangled quantistici reagiscono alla rotazione della Terra. Un team di ricercatori ha condotto un esperimento pionieristico in cui hanno misurato l’effetto della rotazione della Terra sui fotoni entangled quantistici. Il lavoro rappresenta un risultato significativo che spinge i confini della sensibilità alla rotazione nei sensori basati sull’entanglement, ponendo potenzialmente le basi per ulteriori esplorazioni all’intersezione tra meccanica quantistica e relatività generale.

 

 

Un team di ricercatori guidato da Philip Walther dell’Università di Vienna ha condotto un esperimento pionieristico in cui hanno misurato l’effetto della rotazione della Terra sui fotoni entangled quantistici.

Il lavoro, appena pubblicato su Science Advances, rappresenta un risultato significativo che spinge i confini della sensibilità alla rotazione nei sensori basati sull’entanglement, ponendo potenzialmente le basi per ulteriori esplorazioni all’intersezione tra meccanica quantistica e relatività generale.

Gli interferometri ottici Sagnac sono i dispositivi più sensibili alle rotazioni.

Sono stati fondamentali nella nostra comprensione della fisica fondamentale fin dai primi anni del secolo scorso, contribuendo a stabilire la teoria della relatività speciale di Einstein.

Oggi, la loro precisione senza pari li rende lo strumento definitivo per misurare le velocità di rotazione, limitate solo dai confini della fisica classica.

Gli interferometri che impiegano l’entanglement quantistico hanno il potenziale per rompere questi limiti.

Se due o più particelle sono entangled, solo lo stato complessivo è noto, mentre lo stato della singola particella rimane indeterminato fino alla misurazione.

Questo può essere utilizzato per ottenere più informazioni per misurazione di quanto sarebbe possibile senza di esso.

Tuttavia, il salto quantico promesso nella sensibilità è stato ostacolato dalla natura estremamente delicata dell’entanglement.

È qui che l’esperimento viennese ha fatto la differenza.

Hanno costruito un gigantesco interferometro Sagnac a fibra ottica e hanno mantenuto il rumore basso e stabile per diverse ore.

Ciò ha permesso di rilevare un numero sufficiente di coppie di fotoni entangled di alta qualità tali da superare di mille volte la precisione di rotazione dei precedenti interferometri Sagnac ottici quantistici.

In un interferometro di Sagnac, due particelle che viaggiano in direzioni opposte di un percorso chiuso rotante raggiungono il punto di partenza in tempi diversi.

Con due particelle entangled, diventa inquietante: si comportano come una singola particella che testa entrambe le direzioni contemporaneamente, accumulando il doppio del ritardo rispetto allo scenario in cui non è presente alcun entanglement.

Questa proprietà unica è nota come super-risoluzione.

Nell’esperimento vero e proprio, due fotoni entangled si propagavano all’interno di una fibra ottica lunga 2 chilometri avvolta su un’enorme bobina, realizzando un interferometro con un’area effettiva di oltre 700 metri quadrati.

Un ostacolo significativo che i ricercatori hanno dovuto affrontare è stato l’isolamento e l’estrazione del segnale di rotazione costante della Terra.

“Il nocciolo della questione”, spiega l’autore principale Raffaele Silvestri, “sta nello stabilire un punto di riferimento per la nostra misurazione, in cui la luce rimane inalterata dall’effetto rotazionale della Terra.

Data la nostra incapacità di fermare la rotazione della Terra, abbiamo escogitato una soluzione alternativa: dividere la fibra ottica in due bobine di uguale lunghezza e collegarle tramite un interruttore ottico”.

Accendendo e spegnendo l’interruttore, i ricercatori hanno potuto annullare efficacemente il segnale di rotazione a piacimento, il che ha permesso loro di estendere la stabilità del loro grande apparato.

“Fondamentalmente abbiamo ingannato la luce facendole credere di trovarsi in un universo non rotante”, dice Silvestri.

L’esperimento, che è stato condotto nell’ambito della rete di ricerca TURIS ospitata dall’Università di Vienna e dall’Accademia austriaca delle scienze, ha osservato con successo l’effetto della rotazione della Terra su uno stato di due fotoni massimamente entangled.

Ciò conferma l’interazione tra i sistemi di riferimento rotanti e l’entanglement quantistico, come descritto nella teoria della relatività speciale e nella meccanica quantistica di Einstein, con un miglioramento di precisione di mille volte rispetto agli esperimenti precedenti.

“Si tratta di una pietra miliare significativa poiché, un secolo dopo la prima osservazione della rotazione terrestre con la luce, l’entanglement dei singoli quanti di luce è finalmente entrato negli stessi regimi di sensibilità”, afferma Haocun Yu, che ha lavorato a questo esperimento come borsista post-dottorato Marie-Curie.

“Credo che il nostro risultato e la nostra metodologia getteranno le basi per ulteriori miglioramenti nella sensibilità alla rotazione dei sensori basati sull’entanglement. Questo potrebbe aprire la strada a futuri esperimenti per testare il comportamento dell’entanglement quantistico attraverso le curve dello spazio-tempo», aggiunge Philip Walther.