QUEST
Modi tempo-frequenza
In questa sezione troverai informazioni sulla ricerca all'avanguardia condotta nell'ambito del progetto STORMYTUNE e su cosa sono i modi tempo-frequenza. Inizia dalla sezione che ti sembra più semplice o più vicina a te (gioca - Play, scopri - Discover, o impara - Learn), poi esplora le altre per vedere come la tua comprensione cambia e si amplia!
STORMYTUNE è un progetto finanziato dall'Unione Europea che riunisce scienziate/i che lavorano in Germania, Francia, Italia, Spagna, Regno Unito, Polonia e Repubblica Ceca, con l'obiettivo di esplorare la metrologia quantistica nel dominio tempo-frequenza.
La metrologia quantistica è un campo di ricerca ben consolidato che sfrutta principi quantistici come l'entanglement e la sovrapposizione per migliorare la precisione delle misurazioni, ottenendo una sensibilità e un'accuratezza superiori rispetto ai metodi classici. Questo a sua volta permette di costruire sensori in grado di superare le prestazioni di quelli classici e di essere utilizzati per molte applicazioni diverse. STORMYTUNE mira in particolare a sviluppare un quadro teorico e sensori per eseguire misurazioni il più accurate possibile utilizzando i modi tempo-frequenza.
Play
Saving Photonland! è un gioco in cui devi risolvere alcuni enigmi sperimentali. Ti permette di sviluppare un'intuizione sui modi tempo-frequenza e su come scomporre gli impulsi quantistici. Per vincere, devi ricomporre coppie di fotoni regolando le loro ampiezze e ricostruendone i modi.
Crediti:
Dr. Ilaria Gianani (Roma Tre)
Dr. Mattia Walschaers (Sorbonne University)
Dr. Patrick Fabian Folge (Paderborn University)
Sviluppatore del gioco:
Jani Parviainen - Kuuasema
Discover
Nel corso della storia, l’umanità ha sviluppato sistemi di misurazione per quantificare aspetti diversi come la distribuzione dei raccolti, la distanza tra le città e il peso delle merci commerciabili. Per quanto riguarda il tempo, siamo passati dalle meridiane alle clessidre, ai pendoli e agli orologi atomici. Misurazioni e confronti accurati si basano su unità standardizzate: dobbiamo sapere con estrema precisione a cosa corrisponde un’unità di misura per ricavarne le altre.
Esplorare il modo più efficiente e preciso per effettuare misurazioni è l'ambito di studio della metrologia. Questo aspetto ha un impatto considerevole sulla nostra vita quotidiana. Un GPS non funzionerebbe senza la capacità di misurare le distanze con precisione, e l'impronta spettrale è una tecnica consolidata per identificare, ad esempio, le droghe. Misurazioni temporali più accurate potrebbero migliorare le prestazioni del GPS e della telemetria laser; una migliore risoluzione di frequenza potrebbe aiutare a identificare più sostanze più rapidamente.
Scopri di più
Per esplorare misurazioni ancora più precise, possiamo rivolgerci alla metrologia quantistica, che utilizza i quanti — ovvero singoli pacchetti di energia — come sonde per stabilire gli standard che definiscono le unità di misura. Infatti, la meccanica quantistica pone il limite ultimo alla precisione di qualsiasi misurazione: possiamo sfruttare gli effetti quantistici per aumentare la precisione oltre ciò che è possibile con gli approcci classici. Ad esempio, utilizzando la sovrapposizione, in cui il gatto è sia vivo che morto; o l'entanglement, in cui gli oggetti sono intrecciati più strettamente di quanto consentito dalla meccanica classica.
La frequenza è infatti una proprietà molto importante della luce: per esempio, vediamo gli oggetti di un determinato colore a seconda della frequenza della luce che assorbono e di quella che riflettono – e come ci dice la nostra esperienza comune, oggetti diversi assorbono frequenze diverse, quindi osservando quali frequenze vengono assorbite possiamo identificare gli oggetti, attraverso una tecnica chiamata “spettroscopia”.
Ora, è qui che la natura quantistica dei fotoni rende tutto strano: probabilmente avete già sentito parlare del principio di sovrapposizione e di come le particelle quantistiche possano trovarsi simultaneamente in vari punti dello spazio. Ciò significa che possiamo rilevare una particella quantistica in diverse posizioni, secondo una probabilità data dalla sua funzione d’onda. (Ricorda che la funzione d'onda è lo stato di un sistema nella rappresentazione di posizione, da cui possiamo calcolare la probabilità di trovare il sistema in una certa posizione — potete leggere a riguardo la voce sul comportamento ondulatorio in Quest). La stessa cosa può accadere anche in frequenza! Ogni fotone può trovarsi in una sovrapposizione di molti colori diversi fino al momento in cui lo misuriamo. E c'è di più! Se abbiamo due fotoni entangled in frequenza, significa che ci sono correlazioni tra i loro colori, quindi mentre ogni fotone individualmente può essere di molti colori, sappiamo che se fissiamo il colore di uno, allora stiamo automaticamente fissando il colore dell’altro a un valore specifico.
Come descriviamo questo? Possiamo immaginare che ogni coppia di fotoni possa essere scomposta in una sovrapposizione di modi di frequenza attraverso quella che viene chiamata decomposizione di Schmidt. Ecco di cosa tratta il gioco quantistico a cui hai appena giocato! Se combiniamo insieme i giusti modi di frequenza, possiamo ricostruire lo stato quantistico di frequenza della coppia di fotoni, e solo quando controlliamo le proprietà di frequenza dei nostri fotoni, possiamo quindi usarli per realizzare potenti sensori. Ad esempio, possiamo usarli per realizzare nuovi dispositivi di spettroscopia quantistica e molto altro ancora!
Learn
A questo link troverai ulteriori informazioni sulla scomposizione degli impulsi quantistici.
Si prega di notare che il documento è disponibile solo in inglese.
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