Un gioco di luci inganna Heisenberg
STATI UNITI- Raccogliendo alcune importanti sfide del noto Principio di Indeterminazione di Heisenberg, i ricercatori dell’Università di Rochester e dell’Università di Ottawa sono riusciti a misurare per la prima volta e in modo diretto gli stati di polarizzazione della luce. I risultati sono appena stati pubblicati nella rivista Nature Photonics e consentiranno di usare questi stati per rappresentare i qubit nei futuri computer quantistici.
Da una misura indiretta di una variabile coniugata. Gli stati di polarizzazione della luce sono le direzioni in cui oscillano i campi elettrici e magnetici che compongono la radiazione luminosa. Una caratteristica fondamentale della fisica quantistica – espressa dal Principio di Indeterminazione – è che la misurazione di una variabile di un sistema elimina le informazioni relative alle cosiddette variabili coniugate. L’esempio classico è il moto di una particella: se si misura il moto si altera irrimediabilmente la posizione, e viceversa. Detto altrimenti, più si cattura con precisione la misurazione di una variabile, più diventa sfuggente qualsiasi informazione sull’altra.
L’effetto di una misurazione di questo tipo – in gergo “misurazione forte” – è di comprimere la funzione d’onda che rappresenta lo stato del sistema, in modo tale che non se ne possa estrarre più nulla sul piano informativo. Quando si applica questo metodo a un sistema per determinarne lo stato quantico, sia esso composto da una sola particella o da più particelle, è necessario effettuare misurazioni multiple su molte copie identiche del sistema. Questo approccio richiede una reiterazione della misurazione e una complessa elaborazione dei dati ottenuti; si comprende come mai gli scienziati la ritengano determinazione indiretta dello stato di un sistema.
A una misura diretta di una coppia di variabili coniugate. Il team di ricercatori guidato da Robert Boyd ha misurato gli stati di polarizzazione della luce non servendosi dei sistemi consueti, come la tomografia quantistica. Il risultato ottenuto è sorprendente: pace Heisenberg, è possibile misurare insieme coppie di variabili coniugate.
“La possibilità di effettuare la misurazione diretta della funzione d’onda ha importanti implicazioni future per la scienza dell’informazione quantistica”, ha spiegato Boyd, responsabile del gruppo di ricerca di ottica quantistica non lineare all’Università di Ottawa e Professore di Ottica e Fisica all’Università di Rochester. “I lavori in corso nel nostro gruppo suggeriscono la possibilità di applicare la medesima tecnica ad altri sistemi, per esempio misurando la forma di uno stato quantistico ‘misto’ (in contrapposizione ad un puro)”.
Per misurare direttamente lo stato di un sistema i ricercatori hanno usato un espediente nell’osservare la prima proprietà (poniamo la posizione), in modo che il sistema non venga disturbato significativamente e che le informazioni sulla seconda proprietà (poniamo il moto) possano essere sempre ricavate.
Cristalli per la misurazione debole. Questa misurazione accurata si basa su una tecnica messa a punto per la prima volta circa 25 anni fa, nota come misurazione debole; in pratica la prima proprietà viene misurata in questo modo mentre per la seconda si usa la tecnica consueta, ovvero la misurazione forte.
I ricercatori hanno utilizzato dei cristalli birifrangenti per testare i gradi di libertà spaziali nella polarizzazione. Più semplicemente, quando la luce passa attraverso il cristallo, prenderà direzioni diverse a seconda della polarizzazione (poniamo orizzontale e verticale). Lo spessore del cristallo consente di controllare l’intensità della misurazione, debole o forte, e di determinare il grado di separazione, corrispondentemente (piccola o grande). Boyd e colleghi hanno utilizzato due cristalli di diverso spessore: il primo, un cristallo molto sottile che debolmente misura lo stato di polarizzazione orizzontale e verticale, mentre il secondo è un cristallo molto più spesso che con forza misura la stato di polarizzazione diagonale e anti-diagonale. Ripetendo il processo molte volte è possibile stilare statistiche accurate.
Boyd e colleghi hanno utilizzato la posizione e la quantità di moto della luce come indicatori dello stato di polarizzazione. Al contrario di quanto accade nella misurazione forte, nel momento in cui la luce attraversa il cristallo birifrangente le sue componenti polarizzate si separano e la loro sovrapposizione si dà solo quando emergono. L’unico inconveniente della procedura è che una singola misurazione debole fornisce solo una piccola quantità di informazioni e quindi, per ottenere una lettura accurata del valore del sistema, la misurazione debole deve essere ripetuta più volte e poi ricavata calcolando la media.
Dato che gli stati di polarizzazione della luce possono essere usati per codificare dati in computer quantistici sotto forma di qubit, la possibilità di effettuare misurazioni dirette della funzione d’onda potrebbe avere importanti implicazioni future soprattutto per la costruzione di computer molto potenti.
