Gli scienziati quantistici dell'UC Santa Barbara condurranno la NSF

Su scala atomica e subatomica esistono comportamenti che hanno un vasto potenziale per migliorare il modo in cui vediamo e interagiamo con il mondo, migliorando le tecnologie attuali e potenzialmente dando origine a nuove. Il vantaggio principale che si ottiene dal campo del rilevamento quantistico è la sua estrema sensibilità e precisione, in grado di catturare i segnali più deboli e misurare su scala molto piccola.

Ora, diversi ricercatori dell’UC Santa Barbara sono pronti a mettere in campo la loro esperienza nella scienza quantistica come parte del programma Quantum Sensing Challenges for Transformational Advances in Quantum Systems (QuSeC-TAQS) della National Science Foundation statunitense (NSF). Si uniscono a un gruppo di 18 gruppi di ricerca nelle università degli Stati Uniti, sostenuti da un investimento di 29 milioni di dollari da parte della NSF, per esplorare modi per sfruttare le proprietà infinitesimali e talvolta controintuitive della natura su scala quantistica per creare opportunità su scala umana.

I team riceveranno ciascuno da 1 milione a 2 milioni di dollari in quattro anni per condurre un'ampia gamma di attività di ricerca esplorativa. Gli impatti potenziali sono diversi, dalla capacità di percepire le onde gravitazionali mentre si propagano nello spazio, a un mezzo per osservare le funzioni interne delle cellule viventi.

“Per decenni, l’esplorazione scientifica su scala quantistica ha prodotto scoperte sorprendenti su come funziona il nostro universo – e possibilità allettanti per le tecnologie quantistiche”, ha affermato il direttore della NSF Sethuraman Panchanathan. “Stiamo ora facendo il passo successivo nella ricerca quantistica attraverso questi e altri progetti, che combinano la ricerca fondamentale con potenziali applicazioni che possono avere un impatto positivo sulle nostre vite, sulla nostra prosperità economica e sulla nostra competitività come nazione”.

Un magnetometro ottico quantistico: Galan Moody e Paolo Pintus

Come suggerisce il nome, un magnetometro misura un campo magnetico e così facendo fornisce importanti informazioni sugli obiettivi in ​​relazione a quel campo. Una bussola è un semplice dispositivo di questo tipo, che rivela informazioni sulla direzione rispetto al campo magnetico terrestre. Gli scienziati continuano a sfruttare l’elegante potere di questa tecnologia in un elenco crescente di applicazioni, dall’archeologia all’esplorazione spaziale.

Il professore di ingegneria elettrica e informatica Galan Moody e lo scienziato Paolo Pintus mirano a portare l'alta precisione del rilevamento quantistico nella magnetometria e a costruire il tutto su un chip. Pensiamo a LIGO, l’interferometro laser che nel 2015 ha rilevato le più piccole ondulazioni generate dalle onde gravitazionali originate a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Il team costruirà un analogo esperimento con l'interferometro su un chip semiconduttore che, invece delle onde gravitazionali, può rilevare le più piccole variazioni nei campi magnetici.

"Invece di rilevatori su scala chilometrica, abbiamo rilevatori su scala millimetrica", ha affermato Pintus, specializzato in ottica integrata. L’interferometro magneto-ottico fotonico integrato da loro proposto non avrebbe precedenti nella sua sensibilità – un miglioramento di 10 volte oltre il limite quantico standard – integrato in un dispositivo compatto ed efficiente dal punto di vista energetico che può essere utilizzato per rilevare minuscoli campi magnetici con applicazioni per la navigazione, le geoscienze e biomedicina e esplorazione spaziale.

La chiave di questo nuovo dispositivo a basso SWaP (dimensioni, peso e potenza) è l’uso della luce quantistica. "Possiamo basarci su decenni di ricerca e sviluppo per realizzare sensori magneto-ottici che non richiedono altra strumentazione ingombrante, rendendoli compatti e portatili", ha affermato Moody, la cui esperienza risiede nella fotonica quantistica. “Di solito, questi sensori sono alimentati da laser, ma c'è un limite alla loro sensibilità. Invece, utilizzando la luce compressa – un tipo speciale di sorgente luminosa quantistica meno rumorosa di un laser – possiamo andare oltre questo limite”.

L'utilizzo della luce compressa consente misurazioni molto precise della fase delle onde luminose in relazione al target, riducendo al tempo stesso il rumore che potrebbe facilmente oscurare misurazioni ad alta precisione.