Un esperimento pionieristico condotto dall’Università di Vienna ha reso possibile misurare l’effetto della rotazione terrestre sui fotoni quantistici entangled.
Il lavoro, pubblicato su Science Advances, rappresenta un risultato significativo che spinge i limiti della sensibilità alla rotazione nei sensori basati sull’entanglement, che potrebbe gettare le basi per ulteriori esplorazioni all’intersezione tra meccanica quantistica e relatività generale.
Gli interferometri ottici Sagnac sono i dispositivi più sensibili alle rotazioni. Sono stati fondamentali per la nostra comprensione della fisica fondamentale sin dai primi anni del secolo scorso, contribuendo a stabilire la teoria della relatività speciale di Einstein. Oggi, la loro impareggiabile precisione li rende lo strumento definitivo per misurare le velocità di rotazione, limitato solo dai limiti della fisica classica.
Gli interferometri che utilizzano l’entanglement quantistico hanno il potenziale per infrangere questi limiti. Se due o più particelle sono intrecciate, si conosce solo lo stato complessivo, mentre lo stato della singola particella rimane indeterminato fino alla misurazione. Questo può essere utilizzato per ottenere più informazioni per misurazione di quanto sarebbe possibile senza di esso. Tuttavia, il promesso salto di qualità in termini di sensibilità è stato ostacolato dalla natura estremamente delicata dell’entanglement. È qui che l’esperimento di Vienna ha fatto la differenza.
I ricercatori hanno costruito un gigantesco interferometro Sagnac a fibra ottica e hanno mantenuto il rumore basso e stabile per diverse ore. Ciò ha consentito il rilevamento di coppie di fotoni entangled di qualità sufficiente a superare di mille volte la precisione di rotazione dei precedenti interferometri ottici quantistici Sagnac.
In un interferometro di Sagnac, due particelle che viaggiano in direzioni opposte lungo un percorso rotante chiuso raggiungono il punto di partenza in tempi diversi. Con due particelle intrecciate, le cose diventano “spettrali”: si comportano come una singola particella che testa entrambe le direzioni contemporaneamente accumulando un ritardo temporale doppio rispetto allo scenario senza entanglement.
Questa proprietà unica è nota come superrisoluzione. Nell’esperimento vero e proprio, due fotoni intrecciati si sono propagati all’interno di una fibra ottica lunga 2 chilometri avvolta in un’enorme bobina, risultando in un interferometro con un’area effettiva di oltre 700 metri quadrati.
Uno dei maggiori ostacoli che i ricercatori hanno dovuto affrontare è stato isolare ed estrarre il segnale di rotazione costante della Terra. “Il nocciolo della questione sta nello stabilire un punto di riferimento per la nostra misurazione, dove la luce non è influenzata dall’effetto di rotazione terrestre. Data la nostra incapacità di fermare la rotazione terrestre, abbiamo ideato una soluzione alternativa: dividere la fibra ottica in due bobine di uguale lunghezza e collegarli utilizzando un interruttore ottico”, spiega l’autore principale Raffaele Silvestri.
Accendendo e spegnendo l’interruttore, i ricercatori sono stati in grado di annullare efficacemente il segnale di rotazione a piacimento, cosa che ha permesso loro anche di estendere la stabilità del loro grande apparato. “Fondamentalmente, abbiamo ingannato la luce facendole credere di trovarsi in un universo non rotante”, afferma Silvestri in una nota.
L’esperimento, condotto nell’ambito della rete di ricerca TURIS sponsorizzata dall’Università di Vienna e dall’Accademia austriaca delle scienze, ha osservato con successo l’effetto della rotazione della Terra in uno stato di massimo entanglement di due fotoni. Ciò conferma l’interazione tra i sistemi di riferimento rotanti e l’entanglement quantistico, come descritto nella teoria speciale della relatività di Einstein e nella meccanica quantistica, con una precisione mille volte migliore rispetto agli esperimenti precedenti.
“Ciò rappresenta una pietra miliare significativa poiché, un secolo dopo la prima osservazione della rotazione della Terra con la luce, l’entanglement di singoli fotoni è finalmente entrato negli stessi regimi di sensibilità”, afferma Haocun Yu, che ha lavorato a questo esperimento come borsista post-dottorato Marie-Curie.
“Credo che il nostro risultato e la nostra metodologia getteranno le basi per futuri miglioramenti nella sensibilità alla rotazione dei sensori basati sull’entanglement. Ciò potrebbe aprire la strada a futuri esperimenti che testeranno il comportamento dell’entanglement quantistico attraverso le curve spazio-temporali”, aggiunge Philip Walther.
