Q@TN: DAL LABORATORIO ALLA VITA QUOTIDIANA

Al Quantum Science and Technology (Q@TN), centro di fisica quantistica di Trento “si lavora per passare dal laboratorio alla vita quotidiana “. Con questo obiettivo, il centro – diretto da Lorenzo Pavesi, professore di Fisica dell’Università di Trento – sta lavorando per utilizzare il ghost imaging e l’undetected photon spectroscopy per creare strumenti ad alta precisione e basso costo da applicare ad ambiente (es. controllo della qualità dell’aria) e sanità (es. rivelazione di cellule tumorali).

Queste tecniche, nelle quali si intravedono le grandi potenzialità per l’identificazione e la conseguente riduzione dei rischi connessi alla salubrità ambientale e alla salute delle persone, fanno emozionare il nostro cuore di risk-manager incalliti. Cerchiamo perciò di capire in cosa consistono esattamente.

L'”immagine fantasma” e la “spettroscopia con fotone non rilevato” sono particolari tecniche di ottica quantistica – con molti gruppi di ricerca all’attivo nel mondo – che permettono di comprendere cosa accade in una particella di luce in base all’impronta che essa lascia su una particella correlata.

Entrambe le tecniche affrontano lo stesso problema: spostare l’informazione misurata da un fotone a lunghezze d’onda difficilmente rilevabili, come il medio infrarosso, ad altre di facile accesso, come il visibile. Ma, nonostante la similitudine che c’è tra loro, queste due tecniche sono al contempo essenzialmente diverse.

IL GHOST IMAGING

Il ghost imaging sfrutta la correlazione quantistica tra due fotoni per trasferire l’informazione raccolta da un fotone all’altro. In questo modo, è possibile aumentare la facilità e l’efficienza di misura. Si sfrutta il rimbalzo delle informazioni dal fotone che interagisce con l’oggetto all’altro fotone che viene accuratamente analizzato. Tuttavia, è comunque necessario misurare entrambi i fotoni.

L’UNDETECTED PHOTON SPECTROSCOPY,

Con l’undetected photon spectroscopy, invece, non è nemmeno necessario misurare il fotone che interagisce con l’oggetto e che classicamente porta con sé l’informazione. Per spiegare in cosa consista questa tecnica, si utilizza a volte l’esempio di una coppia affiatata: da un partner si riesce a cogliere lo stato d’animo dell’altro senza nemmeno doverlo guardare, perché le preoccupazioni e le soddisfazioni dell’uno lasciano inevitabilmente un’impronta sull’altro membro della coppia. Nel mondo quantistico succede qualcosa di simile. Grazie alla correlazione quantistica tra i due fotoni, le modificazioni di uno sono riflesse nello stato dell’altro. È perciò possibile utilizzare il fotone correlato di facile lettura per ottenere informazioni sul fotone partner di difficile accesso. In altre parole, diventa possibile vedere una particella di luce senza guardarla.

Questi studi, finora solo astratti, stanno per passare dalla teoria alla pratica. Al Q@TN si lavora proprio per questo.

Leonardo Gasparini, ricercatore della Fondazione Bruno Kessler, al lavoro nel team del laboratorio Q@TN:

“Negli anni scorsi, abbiamo lavorato al progetto SuperTwin (super gemello), finanziato dall’Unione Europea, che ha portato ad un primo prototipo di microscopio ottico innovativo che sfrutta i fotoni correlati per rompere la barriera di risoluzione imposta dalle leggi della fisica classica. Sfruttando questa tecnica, in futuro sarà possibile osservare particelle di poche centinaia di nanometri, come un virus.

Forti di questa esperienza, siamo ora al lavoro a un nuovo progetto europeo, che sfrutta la tecnica del ghost imaging per creare un microscopio ottico in grado di “vedere” delle caratteristiche “invisibili” di un campione”.

Stefano Signorini, assegnista di ricerca all’Università di Trento sulla generazione e l’utilizzo di coppie di fotoni correlati in un circuito integrato in silicio:

“Qui a Trento stiamo sviluppando un chip quantistico che rileva con precisione la quantità di un gas, come può essere l’anidride carbonica nell’ambiente, sfruttando l’undetected photon spectroscopy. Generiamo coppie di fotoni, dove un fotone è nel medio infrarosso, molto sensibile al gas, e l’altro nel visibile, facile da misurare. Il fotone che interagisce col gas, difficilmente rilevabile con le tecnologie attuali, non viene nemmeno misurato. Risaliamo alla concentrazione del gas grazie alla particella di luce visibile correlata, facile da misurare con un rilevatore di luce convenzionale. Tutto questo, su un chip miniaturizzato e a basso costo

Q@TN, INCUBATORE D’AVANGUARDIA

Il laboratorio del Q@TN, incubatore d’avanguardia, è un laboratorio giovane e dinamico. Centro di formazione, ricerca e innovazione nel settore delle scienze e tecnologie quantistiche che unisce Università di Trento, Fondazione Bruno Kessler, Consiglio nazionale delle ricerche e Istituto nazionale di Fisica nucleare (Infn).

Istituito nel 2018, è diventato nel corso degli anni un punto di riferimento nazionale ed europeo, una realtà unica dove ideare dispositivi quantistici e realizzare algoritmi e prototipi per il supercalcolo, le comunicazioni sicure e la sensoristica.

In questi primi anni di attività, Q@TN ha ottenuto 4 milioni e mezzo di finanziamenti per progetti di ricerca, ha depositato 5 brevetti, ha contribuito con oltre 55 pubblicazioni scientifiche e ha 24 studenti e studentesse del programma transdisciplinare di dottorato in Quantum Sciences and Technologies.

Fonte: Centro di fisica quantistica Q@TN – Università di Trento