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Introduzione

Circa un anno fa, il progetto europeo Q-MIC ha riunito un team internazionale di ricercatori con diverse competenze che si sono riuniti per sviluppare e implementare tecnologie di imaging quantistico per creare un microscopio quantistico avanzato che sarà in grado di andare oltre le capacità attuali tecnologie di microscopia.

Il probelma

Gli attuali microscopi a super risoluzione o le tecnologie di scansione laser a microarray per quanto siano noti per le loro elevate sensibilità e ottime risoluzioni, per studiare i campioni possono essere danneggiati in taluni casi dal tipo di funzionamento di questi dispositivi i quali utilizzano una elevata potenza luminosa per studiarli.

Diversamente le tecniche di imaging che ricorrono alla “luce quantistica” stanno assumendo un’importanza crescente al giorno d’oggi, poiché le loro capacità in termini di risoluzione e sensibilità possono superare i limiti classici senza danneggiareno i campioni. Questo è possibile perché la luce quantistica viene emessa in singoli fotoni e utilizza la proprietà dell’entanglement per raggiungere regimi di intensità della luce più bassi.

Per quanto appaia più utile ricorrere all’uso della luce quantistica e nonostante i rivelatori quantistici hanno subito un costante sviluppo negli anni passati, ci sono ancora alcuni problemi che devono essere risolti. I rivelatori quantistici sono essi stessi sensibili al rumore classico, il rumore che può finire per essere così significativo da poter ridurre o addirittura annullare qualsiasi tipo di vantaggio quantico rispetto alle immagini ottenute.

La nuova ricerca

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Credito: Università di Glasgow / H. Defienne

In uno studio recentemente pubblicato su Sciences Advances , i ricercatori Hugo Defienne e Daniele Faccio dell’Università di Glasgow e partner del progetto Q-MIC, hanno riferito di una nuova tecnica che permette la separazione delle immagini per estrarre informazioni quantistiche da una fonte illuminata che contiene sia informazione quantistica che classica.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno creato un’immagine finale combinata di un gatto “morto” ed uno “vivo” usando due fonti. Hanno usato una fonte quantistica innescata da un laser per creare coppie intrecciate di fotoni, che illuminavano un cristallo e passavano attraverso un filtro per produrre un’immagine a infrarossi (800 nm) di un “gatto morto”, o quello che chiamano gatto quantistico“. Parallelamente, hanno usato una fonte classica con un LED per produrre l’immagine di un “gatto vivo”. Quindi, con una configurazione ottica, hanno sovrapposto entrambe le immagini e inviato l’immagine combinata a una speciale telecamera CCD nota come EMCCD.

Con questa impostazione, sono stati in grado di osservare che, in linea di principio, entrambe le fonti di luce hanno lo stesso spettro, intensità media e polarizzazione, rendendole indistinguibili da una singola misurazione della solo intensità. Ma mentre i fotoni che provengono dalla fonte classica (la luce a LED) non sono correlati, i fotoni che provengono dalla fonte quantistica (coppie di fotoni) sono correlate.

Usando un algoritmo, sono stati in grado di utilizzare queste correlazioni di fotoni in posizione per isolare l’immagine in cui due fotoni arrivano ai pixel vicini sulla fotocamera e recuperare solo l’immagine “illuminata quantisticamente”. Di conseguenza, anche l’immagine classica del “gatto vivo” è stata recuperata dopo aver sottratto l’immagine quantistica.

Il prof. Daniele Faccio ha dichiarato a riguardo: “Questo approccio porta un cambiamento nel modo in cui siamo in grado di codificare e quindi decodificare le informazioni nelle immagini, che speriamo trovino applicazioni in aree che vanno dalla microscopia al LIDAR nascosto.”

Un inaspettato risultato

Un altro aspetto sorprendente di questo metodo è che i ricercatori sono stati anche in grado di estrarre informazioni quantistiche affidabili anche quando l’illuminazione classica era dieci volte superiore. Hanno dimostrato che anche quando l’alta illuminazione classica diminuiva la qualità dell’immagine, erano ancora in grado di ottenere un’immagine nitida della forma dell’immagine quantistica.

Possibili applicazioni

Questa tecnica apre un nuovo percorso per l’imaging quantico e microscopi quantistici avanzati che mirano a osservare campioni ultra sensibili. Inoltre, i risultati di questo studio mostrano che questa tecnica potrebbe essere della massima importanza per le comunicazioni quantistiche. La capacità di mescolare ed estrarre informazioni specifiche trasportate dalla luce quantistica e classica potrebbe essere utilizzata per tecniche di crittografia e informazioni di codifica. In particolare, potrebbe essere utilizzato per nascondere o crittografare le informazioni all’interno di un segnale quando si utilizzano rivelatori convenzionali.

Ulteriori informazioni:

Hugo Defienne et al, separazione quantistica di immagini, Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aax0307