Misurazione bilanciata degli stati quantici della luce

Le tecnologie meccanico-quantistiche promettono la creazione di computer quantistici potenti, mentre la crittografia quantistica potrebbe generare codici inviolabili. Ma per farle funzionare, è necessario misurare in modo affidabile lo stato quantistico di particelle come fotoni o atomi.

I campi elettromagnetici che esibiscono proprietà quantistiche sono solitamente deboli e le frequenze di oscillazione rientrano in una gamma di centinaia di Terahertz. Nessun rilevatore può seguire tali rapidi cambiamenti. Eppure, esiste una tecnica che consente di effettuare misurazioni di fase sensibili relative a fluttuazioni quantistiche di campo elettrico, mediante l’utilizzo di rilevatori regolari “lenti”. Il trucco è chiamato rilevamento omodino bilanciato.

Nel progetto CV-QDAPT (Continuous-variable quantum detector and process tomography), finanziato dall’UE, i ricercatori hanno realizzato un nuovo modo di calibrare i rilevatori di stati quantistici di materia e luce. Ciò ha permesso loro di calibrare un rilevatore omodino bilanciato, un traguardo mai raggiunto in precedenza, principalmente a causa del gran numero di possibili esiti prodotti dai rilevatori omodini bilanciati.

Utilizzando un approccio noto come montaggio dei modelli di dati, i ricercatori CV-QDAPT sono stati in grado di calibrare un rilevatore con più di 150 risultati, un ordine di grandezza più grande di qualsiasi rilevatore ben caratterizzato. Tale impresa è stata compiuta mediante il sondaggio del rilevatore con stati noti e coerenti di luce, prodotto da un laser stabilizzato le cui proprietà sono state verificate attraverso mezzi differenti.

Il rilevatore calibrato è stato utilizzato per caratterizzare vari stati quantistici di impulsi ottici. I risultati di questa stima sullo stato quantico libera da ipotesi hanno confermato la validità dei modelli teorici esistenti di rilevamento omodino bilanciato.

I ricercatori CV-QDAPT hanno inoltre dimostrato che, oltre ad essere uno strumento per la calibrazione di rilevatori quantici complessi, utilizzabili per la stima degli stati non classici della luce, il metodo di montaggio dei modelli di dati può essere utilizzato per eseguire in modo affidabile la tomografia dei processi quantistici.

Il nuovo metodo dimostrato nel progetto CV-QDAPT integra l’approccio attuale alla tomografia dello stato quantico, completando gli strumenti per caratterizzare in modo indipendente i rilevatori quantici. I ricercatori si aspettano di trovare applicazioni anche per i sistemi quantistici diversi dalla luce.