01 agosto 2012

"Vedere " la forma della luce. Una ricerca del CNR in un articolo per Physical Review Letters del 3 Agosto 2012.

Siamo abituati a riconoscere la luce per le manifestazioni della sua presenza (calore e colori) e per la sua assenza (ombre e buio). Ma finora nessuno aveva mai fotografato la forma più intima della luce: il singolo quanto di eccitazione.
Ci sono riusciti i ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del CNR di Sesto Fiorentino (Ino-Cnr), guidati da Marco Bellini e Alessandro Zavatta, utilizzando una tecnica che mette insieme l’ottica quantistica e quella cosidetta ultraveloce. Il risultato sono una serie di misure della forma di stati quantistici luminosi, della durata di poche decine di femtosecondi. La ricerca aiuta a indagare in dettaglio la struttura quantistica della luce. Ma potrà anche aprire la strada a nuove applicazioni.
Lo studio, in corso di pubblicazione su Physical Review Letters, è stato possibile utilizzato un algoritmo genetico: una procedura sperimentale che fa evolvere per mutazioni e riproduzioni un gruppo casuale, in modo che possa adattarsi alle condizioni ambientali nelle generazioni successive.
Oltre ad aver ricostruito le strutture temporali di singoli fotoni variamente deformati, i ricercatori Ino-Cnr hanno anche dimostrato come utilizzare questa capacità per nuovi schemi di codifica dell’informazione quantistica.
Questo studio ha permesso di misurare il singolo fotone anche quando assume simultaneamente più forme distinte: se si assegna una lettera dell’alfabeto a ciascuna di queste si può riuscire a interpretare anche tutte le loro sovrapposizioni quantistiche. Un alfabeto composto da molte lettere e dalle loro sovrapposizioni coerenti significa, per la comunicazione quantistica, un enorme vantaggio rispetto alle tradizionali codifiche basate su qubit (un alfabeto basato su due soli stati di polarizzazione della luce).

Per cercare di capire meglio ho posto alcune domande a Marco Bellini, responsabile del gruppo Ino-Cnr che ha condotto la ricerca.
Nel comunicato del CNR lei spiega che molte applicazioni delle proprietà quantistiche della luce (al calcolo e alle tecnologie della comunicazione per dirne due) dipendono dalla conoscenza della forma assunta da un singolo fotone. Potrebbe fare qualche esempio per cercare di far capire il concetto anche a chi non ha nozioni di fisica quantistica?
«Molte di queste tecniche si basano sul fenomeno dell'interferenza tra due campi luminosi. Si ha interferenza perfetta solo se due campi hanno la stessa forma spaziotemporale, cioè appartengono allo stesso modo. Se si usa un singolo fotone per trasmettere informazione in modo sicuro con la tecnica della crittografia quantistica, è essenziale conoscere esattamente la sua forma in modo che la stazione ricevente sia in grado di analizzarlo facendolo interferire con luce della forma appropriata».

Lei spiega che la tecnica che vi ha permesso di effettuare con successo questo studio permette di misurare il singolo fotone anche quando assume simultaneamente più forme distinte. Cosa significa, in parole povere?
«Quantisticamente una particella può ad esempio esistere contemporaneamente in due posizioni spaziali distinte in uno stato di sovrapposizione quantistica. In questo caso un singolo fotone può assumere contemporaneamente due forme distinte, anche molto diverse tra loro. Con la nostra tecnica siamo in grado di distinguere questo caso da quello banale in cui il fotone assume talvolta una forma e talvolta l'altra».

A quali conclusioni giungete nel vostro articolo in corso di pubblicazione su Physical Review Letters?
«Che abbiamo sviluppato una tecnica per misurare la forma temporale di singoli fotoni e che tale tecnica è così potente da permetterci anche di utilizzare la forma del fotone per codificare e decodificare informazioni. Visto che le forme possibili sono molte, abbiamo la possibilità di ampliare notevolmente la capacità di trasmissione».

Andrea Mameli 1 Agosto 2012 www.linguaggiomacchina.it

"Adaptive detection of arbitrarily shaped ultrashort quantum light states", C. Polycarpou, K. N. Cassemiro, G. Venturi, A. Zavatta, M. Bellini (Physical Review Letters, Volume 109, Issue 5, August 3, 2012, Accepted Jun 28, 2012).
ABSTRACT
A quantum state of light is the excitation of a particular spatiotemporal mode of the electromagnetic field. A precise control of the mode structure is therefore essential for processing, detecting, and using photonic states in novel quantum technologies. Here we demonstrate an adaptive scheme, combining techniques from the fields of ultrafast coherent control and quantum optics, for probing the arbitrary complex spectro-temporal profile of an ultrashort quantum light pulse. The ability to access the modal structure of a quantum light state could boost the capacity of current quantum information protocols.

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