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Sviluppato un microscopio quantistico in grado di osservare l’impensabile

È stato sviluppato un microscopio quantistico in grado di superare i limiti legati ai normali microscopi ottici. Alla base del suo funzionamento c'è il principio di entanglement quantistico

Categorie Biologia · Fisica · Tecnologia

I ricercatori dell’Università del Queensland hanno creato un microscopio quantistico che permette di osservare strutture non osservabili con i normali microscopi ottici. Grazie a questo innovativo dispositivo è possibile esplorare in profondità le strutture biologiche. Vedrà, infatti, largo utilizzo in svariati campi che vanno dalla navigazione all’imaging medico. La ricerca è stata supportata dall’Ufficio per la ricerca scientifica dell’aeronautica degli Stati Uniti e dall’Australian Research Council. Il professor Warwick Bowen, del Quantum Optics Lab e dell’ATC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQUS), ha descritto il microscopio come il “primo sensore, basato sull’entanglement, con caratteristiche migliori delle tecnologie esistenti“. E continua affermando che “questa svolta stimolerà ogni sorta di nuove tecnologie: da migliori sistemi di navigazione a migliori macchine per la risonanza magnetica.”

Artist’s impression of UQ’s new quantum microscope in action. Credits: The University of Queensaland

Entanglement quantistico

Alla base del nuovo microscopio vi è un fenomeno noto come entanglement quantistico. Si tratta di uno dei fenomeni più misteriosi ed inspiegabili di tutta la fisica. L’entanglement, che sta per “intreccio” o “groviglio”, è un fenomeno quantistico, non spiegabile con la meccanica classica, per cui due o più particelle rimangono intimamente connesse anche se separate da lunghe distanze. Nel mondo della meccanica quantistica, infatti, le particelle si comportano in maniera differente e non seguono i principi della fisica classica. In particolare, vengono meno i concetti classici di località e realismo. Con principio di località si intende che oggetti distanti non possono avere influenza istantanea l’uno sull’altro.

Proprio Albert Einstein, insieme ai due co-autori Boris Podolsky e Nathan Rosen, ha dimostrato, nel 1936, che la meccanica quantistica non segue il principio di realismo locale (paradosso EPR). L’entanglement quantistico sta assumendo via via molta importanza, infatti è alla base di moderne tecnologie come i computer quantistici, la crittografia quantistica e dello studio relativo al teletrasporto quantistico.

Perché usare un microscopio quantistico?

L’utilizzo di normali microscopi ottici in ambito di imaging biologico presenta un limite dettato dalla natura della luce stessa. Il laser luminoso, infatti, rischia di disturbare gravemente il processo biologico. I migliori microscopi ottici presentano un laser con intensità miliardi di volte superiore a quella del sole. Motivo per cui sistemi biologici fragili, come una cellula umana, rischiano di sopravvivere solo per poco tempo al loro interno. Nonostante si possa cercare di sviare il problema aumentando l’intensità della luce, è possibile migliorare l’imaging sfruttando correlazioni di fotoni quantistici.

microscopio

Le correlazioni quantistiche consentono l’imaging dei legami molecolari all’interno di una cellula con un rapporto segnale-rumore migliorato del 35% rispetto alla microscopia convenzionale. Dove per rumore si intende l’insieme degli effetti indesiderati e imprevisti che si sovrappongono al segnale utile durante un’analisi. Tali rumori riducono la sensibilità, la risoluzione e la velocità Ciò permette di osservare strutture biologiche che altrimenti rimarrebbero inaccessibili, con una velocità di imaging superiore.

Come si ottiene il microscopio quantistico?

Il team di ricercatori ha fatto in modo che i fotoni del laser venissero posizionati in stati quantistici di “ampiezza compressa”. I fotoni, infatti, sono stati concentrati in impulsi laser lunghi solo pochi miliardesimi di secondo. Così hanno prodotto un entanglement 1.000 miliardi di volte più luminoso di quello utilizzato fino ad ora. I fotoni, essendo “entangled quantisticamente” meccanicamente, non sono più indipendenti l’uno dall’altro. In questo modo si riduce la casualità dei tempi di rilevamento, dunque la presenza di rumori.

Differenza tra imaging del microscopio quantistico e convenzionale
Differenza di immagine tra microscopio quantistico e convenzionale. Credits: Warwick Bowen

Verso una rivoluzione quantistica

Il team di ricerca ha ottenuto notevoli risultati, oltre che una tecnologia che apre a vastissimi campi di applicazione. Non a caso, l’ Australia’s Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) stima che entro il 2040 si creerà un’industria globale, legata alla tecnologia quantistica, di 86 miliardi di dollari. L’entanglement quantistico porta a vantaggi evidenti, per questo, come detto precedentemente, i ricercatori hanno studiato già numerosi strumenti in grado di sfruttarli. Ci si sta muovendo forse verso una rivoluzione quantistica?

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