Nuova tecnica di rivelazione basata sulla tecnologia quantistica sviluppata presso l’IST Austria, con la collaborazione dell'Università di Camerino e della Università di York (Regno Unito). Studio pubblicato l'8 maggio in Science Advances.

I fisici Shabir Barzanjeh e Johannes Fink dell’Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), Stefano Pirandola dell'Università di York in Inghilterra e David Vitali dell'Università di Camerino hanno inventato e dimostrato sperimentalmente un nuovo prototipo di radar che utilizza l’entanglement quantistico per rivelare un oggetto a distanza. Questa integrazione della fisica quantistica nella vita quotidiana può influenzare in modo significativo il settore biomedico e della sicurezza. La ricerca è pubblicata nella rivista Science Advances.

L’entanglement quantistico è un fenomeno fisico per cui due particelle rimangono interconnesse, continuando a condividere caratteristiche fisiche a prescindere dalla loro lontananza reciproca. Il lavoro appena pubblicato ha dimostrato una nuova tecnologia di rivelazione chiamata “illuminazione quantistica a microonde” che fa uso di fotoni a microonde correlati quantisticamente come metodo di rivelazione. Il prototipo, noto anche come “radar quantistico”, è in grado di individuare oggetti in ambienti altamente rumorosi in cui i classici sistemi radar solitamente falliscono. La tecnologia ha il potenziale per applicazioni di imaging biomedico a bassissima potenza e scanner per la sicurezza.

I principi di funzionamento alla base dello strumento sono semplici: invece di usare microonde convenzionali, i ricercatori correlano due fasci deboli di microonde, il signal (segnale) e l'idler. Il segnale è inviato verso l’oggetto interessato, mentre i fotoni idler sono misurati in isolamento relativo, senza interferenza o rumore. Quando il segnale torna indietro riflesso dall’oggetto, l’entanglement tra i due fasci è perso, ma sopravvivono tracce della correlazione, sufficienti a creare una firma che descrive l’esistenza o l’assenza dell’oggetto bersaglio, indipendentemente dal rumore presente nell’ambiente.

Mentre l’entanglement quantistico in sé è fragile, il dispositivo offre alcuni vantaggi rispetto ai classici radar. Ad esempio, a bassa potenza, i sistemi radar convenzionali solitamente soffrono la scarsa sensibilità perché hanno problemi a distinguere le radiazioni riflesse dall’oggetto dal rumore radiativo naturalmente presente. L’illuminazione quantistica offre una soluzione a questo problema, in quanto le similitudini tra i fotoni signal e idler, generati dall’entanglement quantistico, rendono molto più efficiente la distinzione tra il segnale (ricevuto dall’oggetto ricercato) e il rumore generato nell’ambiente.

“Il messaggio principale della nostra ricerca – affermano i ricercatori – è che il ‘radar quantistico’ o l’‘illuminazione quantistica a microonde’ non sono solo possibili in teoria, ma anche in pratica. Se raffrontata con i classici strumenti di rilevazione a bassa potenza nelle stesse condizioni, è già possibile vedere che, nel caso di basso numero di fotoni, la rivelazione basata sulla fisica quantistica può essere superiore.”

Nel corso della storia, la scienza di base è stata una delle locomotive dell’innovazione, del cambiamento di paradigma e dell’avanguardia tecnologica. Sebbene rimanga la dimostrazione di un concetto, la ricerca del gruppo ha efficacemente avvalorato un nuovo metodo di rivelazione che, in alcuni casi, può essere già superiore ai radar classici.

“Nel corso della storia, dimostrazioni come quella da noi provata sono spesso servite come pietre miliari nel raggiungere successivi avanzamenti tecnologici. Sarà interessante vedere le implicazioni future di questa ricerca, in particolare per sensori a microonde di piccolo raggio”, affermano i ricercatori.

Questo risultato scientifico è stato possibile solo attraverso la collaborazione di fisici teorici e sperimentali, tutti guidati dal desiderio di indagare come la meccanica quantistica possa aiutare a superare i limiti fondamentali della rilevazione. Per poter presentare vantaggi anche in soluzioni pratiche, avremo bisogno anche dell’aiuto di esperti ingegneri elettronici; resta molto lavoro da fare per rendere il nostro risultato applicabile a rilevazioni nel mondo reale.

La ricerca è stata finanziata con fondi dell’Unione Europea dal programma di ricerca e innovazione europeo Horizon 2020, nell’ambito di un progetto che vede coinvolta l’Università di Camerino con il prof. David Vital ed il prof. Stefano Mancini, entrambi membri della Sezione di Fisica della Scuola di Scienze e Tecnologie.