Una rappresentazione artistica di un singolo ione intrappolato in una griglia quantistica.

Un gruppo di fisici ha trovato un modo per aggirare una delle restrizioni più note della meccanica quantistica: il principio di indeterminazione di Heisenberg. Senza violare il principio, sono riusciti a misurare simultaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella. Questa tecnica apre la strada allo sviluppo di sensori quantistici di precisione finora inimmaginabile. LEGGI TUTTO

Spostare l'incertezza, non eliminarla
Il principio di Heisenberg afferma che non è possibile conoscere con precisione assoluta sia la posizione esatta di una particella sia la sua esatta quantità di moto (il suo impeto) nello stesso istante. Misurare una delle due proprietà rende inevitabilmente più incerta l'altra. La nuova ricerca non infrange questa legge fondamentale, ma la aggira in modo intelligente. Come spiegato da Christophe Valahu, autore principale dello studio, "ciò che facciamo è spostare l'incertezza. Scartiamo alcune informazioni di cui non abbiamo bisogno, in modo da poter misurare ciò che ci interessa con una precisione molto maggiore".

Il trucco consiste nel misurare delle quantità diverse, note come "osservabili modulari". Invece di misurare i valori assoluti di posizione e quantità di moto, i fisici si sono concentrati sui loro spostamenti relativi all'interno di una scala fissa. Usando un'analogia, è come misurare la posizione di un oggetto su un righello: invece di preoccuparsi di in quale centimetro si trovi, si misura solo di quanti millimetri si è spostato rispetto all'ultimo segno di riferimento.

La griglia quantistica
Per mettere in pratica questa idea, i ricercatori hanno lavorato con un singolo ione intrappolato, ovvero un atomo carico tenuto fermo da campi elettromagnetici. Utilizzando laser sintonizzati, hanno indotto lo ione ad entrare in uno stato quantistico chiamato "stato a griglia". In questo stato, la funzione d'onda della particella (che ne descrive la probabilità di trovarsi in un certo punto) si distribuisce in una serie di picchi equamente distanziati, proprio come i segni su un righello.

L'incertezza è concentrata negli spazi tra un picco e l'altro. I picchi stessi fungono da punti di riferimento. Quando una forza minuscola spinge lo ione, l'intero schema a griglia si muove leggermente. Un piccolo spostamento laterale dei picchi indica un cambiamento di posizione, mentre un'inclinazione dello schema a griglia riflette un cambiamento nella quantità di moto. Poiché la misurazione si concentra solo sugli spostamenti relativi ai picchi, entrambi i cambiamenti possono essere letti contemporaneamente.

Applicazioni future nella sensoristica
Utilizzando questa tecnica, il team è riuscito a misurare una forza incredibilmente piccola, pari a circa 10 yoctonewton (un 10 seguito da 23 zeri prima della virgola). Sebbene non sia un record mondiale assoluto, il risultato è significativo perché è stato ottenuto con un sistema relativamente semplice e scalabile, basato su un singolo atomo. Ciò dimostra che si possono raggiungere sensibilità estreme con configurazioni di base.

La capacità di rilevare cambiamenti così piccoli ha implicazioni enormi. Sensori quantistici ultra-precisi basati su questo principio potrebbero migliorare la navigazione in luoghi dove il GPS non funziona, come sott'acqua, sottoterra o nello spazio profondo, e potrebbero anche portare a progressi significativi nell'imaging biologico e medico.

Questa ricerca non solo approfondisce la nostra comprensione del mondo quantistico, ma fornisce anche uno strumento pratico che potrebbe rivoluzionare la tecnologia dei sensori, permettendoci di misurare il mondo con una precisione finora inimmaginabile.

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