Lo studio dal titolo "Activation of indistinguishability-based quantum coherence for enhanced metrological applications with particle statistics imprint", condotto da un gruppo di fisici teorici dell’Università degli Studi di Palermo, è stato pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), rivista ufficiale della United States National Academy of Sciences.

Il team - composto da Alessia Castellini e Giuseppe Compagno del Dipartimento di Fisica e Chimica e Rosario Lo Franco del Dipartimento di Ingegneria, in collaborazione con fisici sperimentali di ottica quantistica della University of Science and Technology of China (Cina) e colleghi della Università di Nottingham (Regno Unito), della Università Autonoma di Barcellona (Spagna) e della Università di Ulm (Germania) - ha dimostrato in laboratorio che l'indistinguibilità spaziale dei fotoni o quanti di luce, impiegati come sonde quantistiche, può essere utilizzata per attivare procedure di metrologia quantistica. Lo studio evidenzia anche come la natura bosonica o fermionica delle sonde quantistiche identiche modifichi l'efficienza del protocollo.

«In meccanica quantistica - spiegano dal team di ricerca - le particelle sono descritte da una funzione d'onda che determina le loro proprietà fisiche - ad esempio, spin dell’elettrone o polarizzazione del fotone - e stabilisce la probabilità con cui una particella può essere trovata in una regione dello spazio. Coerenza quantistica ed entanglement sono fenomeni puramente non-classici che consentono ai sistemi quantistici, come i cosiddetti quantum bit o “qubit”, di esistere contemporaneamente in più stati e di esibire correlazioni uniche che svolgono un ruolo chiave nella realizzazione di protocolli di informazione quantistica, come teletrasporto, calcolo quantistico, crittografia sicura, sensoristica e metrologia in generale. Le reti quantistiche assemblate per creare queste innovative tecnologie sono in genere costituite da qubit identici, che sono elementi o particelle della stessa specie, cioè caratterizzate dalle stesse proprietà intrinseche quali massa e carica, come per esempio fotoni, ioni, atomi, elettroni. Le particelle esistenti in natura, nel mondo tridimensionale, sono di due tipi fondamentali: bosoni - spin intero, come i fotoni - e fermioni - spin semi-intero, come gli elettroni.  

Per una singola particella - proseguono i ricercatori - la coerenza quantistica si manifesta quando la particella si trova in una sovrapposizione di una base di stati di riferimento. Per sistemi composti da molte particelle, la fisica alla base della coerenza quantistica è più ricca e fortemente connessa alla natura delle particelle, con differenze fondamentali per particelle non identiche e identiche. Un aspetto particolarmente interessante è che sistemi di particelle identiche possono manifestare coerenza anche quando nessuna particella risiede in stati di sovrapposizione, a patto che le funzioni d'onda delle particelle si sovrappongano nello spazio. In generale, un contributo speciale alla coerenza quantistica deriva dall'indistinguibilità spaziale di particelle identiche, che non può esistere per particelle non identiche o distinguibili. Il problema da superare è il controllo di questo contributo speciale come risorsa quantistica utilizzabile. Infatti, quando particelle identiche si sovrappongono spazialmente, non sono controllabili individualmente. Una soluzione a questo problema è l'applicazione di operazioni spazialmente localizzate e di comunicazione classica, introdotte precedentemente da Lo Franco e Compagno.

Nella nuova ricerca - concludono gli autori - mostriamo sperimentalmente come controllare il contributo alla coerenza quantistica derivante dall'indistinguibilità spaziale dei fotoni. I qubit-sonda identici sono qui codificati nella polarizzazione dei fotoni, usati in coppia, mentre le loro funzioni d'onda spaziali sono opportunamente distribuite e sovrapposte in due siti separati o nodi del circuito. L’apparato di ottica quantistica, costruito nel laboratorio della USTC in Cina, è anche capace di simulare il comportamento dei fermioni con i fotoni, che sono naturalmente bosoni. L'esperimento fornisce la prima prova diretta del diverso ruolo del tipo di particelle - bosoni o fermioni - nel migliorare la prestazione di processi di misurazione di una data grandezza fisica. Si tratta quindi di un caso di metrologia arricchita quantisticamente».

«In particolare - spiega Rosario Lo Franco - il risultato dimostra un chiaro vantaggio quantistico rispetto a procedure classiche in un processo di discriminazione della fase di un segnale, con una efficienza diversa se i qubit utilizzati sono bosoni o fermioni. Discriminare con alta precisione la fase di un segnale elettromagnetico, grazie a nuove tecniche quantistiche, è importante per la sensoristica in generale. Possibili sviluppi sono collegati alla scalabilità dell’apparato sperimentale e alle realizzazioni in diversi dispositivi. Il nostro lavoro apre quindi la strada a ulteriori indagini sperimentali in vari contesti - conclude il docente. In definitiva, i risultati forniscono nuovi strumenti per lo sviluppo di tecnologie quantistiche, uno dei settori strategici del PNRR, basate sull'indistinguibilità di costituenti identici».