Sensori quantistici e misure di alta precisione: cosa sono e come funzionano?

03.05.2021 – 15.00 – Una della più promettenti linee di sviluppo delle tecnologie quantistiche è fornita dal cosiddetto quantum sensing, o sensori quantistici, ovvero dispositivi che sfruttando le leggi della meccanica quantistica sono in grado di effettuare misure di alta precisione. In generale, poter fare misurazioni sempre più precise ha avuto per il metodo scientifico e per le applicazioni tecnologiche una doppia valenza: da un lato quella di testare le teorie scientifiche con sempre maggiore accuratezza – sia per verificarle che per trovare deviazioni dalle leggi note – e dall’altro fornire strumenti utili per la nostra vita quotidiana. Un esempio tipico è dato dalla ricerca di orologi che siano in grado di misurare il tempo con sempre maggiore precisione, ma ve ne sono molti altri ancora: all’inizio della navigazione aerea, nella prima parte del secolo scorso, il tempo di navigazione su lunghe tratte riuscì ad essere significativamente diminuito quando gli aerei furono dotati di giroscopi (cioè misuratori di rotazione) più precisi e affidabili. Tipiche misurazioni che hanno impatto sia sullo studio delle teorie scientifiche che sulle applicazioni tecnologiche sono appunto quelle di tempo e rotazione, ma anche, per esempio, di campi magnetici, di accelerazioni e di velocità.

La seconda rivoluzione quantistica a cui stiamo assistendo ci mette a disposizione una serie di sistemi fisici in cui riusciamo non solo a controllare con alta precisione il dispositivo in cui il sistema stesso è posizionato, ma anche a indurre e sfruttare stati con forti correlazioni quantistiche. Il principio del quantum sensing è in breve basato su:

  • mettere in contatto il dispositivo con l’ambiente esterno in cui agisce la quantità che vogliamo misurare (per esempio la rotazione, o masse che vogliamo individuare quali reperti archeologici o campi petroliferi);
  • misurare lo stato del sistema;
  • in base al risultato e a come il sistema ha “reagito” alla perturbazione che intendiamo misurare, estrarre la misura che intendiamo trovare.

Punto cruciale, è che in tutta una serie di applicazioni si osserva che maggiore è la quantità di correlazione quantistiche che lo stato del sistema ha, e maggiore e la precisione con cui riusciamo a misurare la quantità che ci interessa. Per questo i sensori quantistici in molte applicazioni si ritiene possano – e in molti casi ci riescono già – fare misurazioni molto più precise e accurate rispetto alle loro controparti “classiche”, cioè non quantistiche, che non possono sfruttare le correlazioni quantistiche.

Figura 1

Un tipico esempio di funzionamento di un sensore quantistico è schematizzato nella figura 1, la quale si riferisce a un “interferometro di Sagnac a onde di materia“. Si tratta di una configurazione ad anello in cui due gas atomici a basse temperature sono posti in una regione dell’anello, (prima immagine a sinistra); a questo punto i due gas sono ruotati separatamente nelle due direzioni, oraria e antioraria, (pannello centrale); quando si ricombinano nel punto di interferenza il loro stato è misurato, (pannello di destra); più precisamente se ne misurano le loro “frange di interferenza“. Supponiamo di fare questa operazione quando l’anello non è in rotazione, e poi quando è in una rotazione che vogliamo misurare. Confrontando le due frange di interferenza si può stimare quanto è il valore della rotazione che fa ruotare l’anello (per esempio: la rotazione della Terra). Se lo stato iniziale è fortemente quantistico, allora la precisione con cui riusciamo a misurare tale rotazione è maggiore rispetto a quella che avremmo se lo stato iniziale fosse classico. È chiaro che questa strategia funziona se riusciamo a preparare il sistema in maniera controllabile in uno stato “veramente” quantisticocosa che sta diventando sempre più possibile negli ultimi due decenni della seconda rivoluzione quantistica. Inoltre, poiché la procedura di determinazione del valore cercato si basa sull’analisi delle misurazioni effettuate (in questo caso, le frange di interferenza con e senza rotazione), è interessante osservare come vi sia sempre di più il ricorso a tecniche di intelligenza artificiale per effettuare in modo efficiente l’analisi dei dati.

Figura 2

Quanto appena illustrato è solo un particolare esempio di misurazione, ma procedure analoghe in spirito possono essere usate per misurare svariate quantità. Diversi sono i sistemi fisici che sono utilizzati per costruire nuove classi di sensori quantistici: gli spin qubits, gli ioni intrappolati, i gas atomici a basse temperature, i centri NV (i quali sono difetti inseriti in diamanti), solo per citarne alcuni.
Un esempio concreto di applicazione dei sensori quantistici è fornito dalla cosiddetta gravity gradiometry, cioè dallo studio e dalla misura delle variazioni del campo gravitazionale terrestre. Oltre che il monitoraggio del territorio, studiare tali variazioni può avere usi molto mirati. La figura 2 mostra una riproduzione di un vasto territorio in Gabon, in cui studi geologici indicano la possibilità di trovare giacimenti di gas naturale (le aree gialle della figura). Posizionando un gradiometro ad alta precisione in un aereo e sorvolando la zona, lo studio delle anomalie rileva dove cercare la risorsa, contrassegnata da una crocetta. Con tecniche analoghe, sta venendo ora attivamente studiata anche l’individuazione di reperti in zone archeologiche.

Se le applicazioni sia scientifiche che tecnologiche sono numerose, al tempo stesso i sensori quantistici costituiscono anche un’importante opportunità economica: numerose aziende che producono e commercializzano sensori quantistici sono state fondate in questi ultimissimi anni, e altre ben consolidate sul mercato si stanno orientando in questa direzione. In numerosi casi tali aziende impiegano o sono guidate da giovani che hanno fatto la laurea o il dottorato su argomenti legati alle tecnologie quantistiche e ai sensori quantistici. Questi esempi, bisogna dirlo, sono ancora piuttosto rari in Italia, e il forte auspicio, nonché una direzione verso cui impegnarsi, è certamente che il Paese non rimanga indietro in questo campo strategico.

di Andrea Trombettoni [Si ringraziano G. Gori e W. von Klitzing per le figure]

[Andrea Trombettoniè attualmente ricercatore presso l’Università di Trieste, dopo avere lavorato in precedenza presso la SISSA e l’Istituto Officina dei Materiali del CNR di Trieste. Lavora su gas atomici a basse temperature e dispositivi quantistici ed è attualmente Vice-Chair della Azione COST Action “Quantum Technologies with Ultra-Cold Atoms” e coordinatore triestino del progetto MIT – FVG (Friuli Venezia Giulia) Seed Fund “Non-Equilibrium Thermodynamics of Dissipative Quantum Systems”.]