Tecnologie Quantistiche: Quantum Metrology & Sensing all’INRiM

Tecnologie Quantistiche: Quantum Metrology & Sensing all’INRiM
 

L’INRiM dedica rilevanti attività all’uso di tecnologie quantistiche per migliorare le capacità di misura a livello nazionale e internazionale. Il paradigma metrologico con cui si declinano le tecnologie quantistiche è duplice: da un lato effetti quantistici consolidati e altri innovativi concorrono a migliorare le nostre capacità di misura; dall’altro il rigore della metrologia vuole garantire alle tecnologie livelli quantitativi propri di una proposta standardizzata alla società, che rispetti la qualità scientifica e le realtà del mercato.

 

Introduzione

Nel secolo scorso, a partire dagli anni Trenta e fino alla fine degli anni Novanta, la scoperta e il consolidamento del corpus imponente della Meccanica Quantistica (MQ) ha avuto immediatamente un impatto tra i più significativi nella storia umana. Fisica atomica, laser, fisica dei semiconduttori, transistor, nanodispositivi sono stati rami della scienza che si sono immediatamente tradotti in tecnologie rivoluzionarie. Ma già alla fine del secolo, e ancora di più oggi, alcuni principi della Meccanica Quantistica ci riservano brillanti innovazioni di cui oggi riusciamo a vedere anche l’utilizzo tecnologico: sviluppi quali il raffreddamento laser, l’entanglement, il principio di sovrapposizione, la coerenza quantistica ci garantiscono capacità tecniche e scientifiche ancora superiori. Computer e simulatori quantistici, comunicazione e crittografia quantistica, una nuova generazione di orologi atomici, sensori quantistici con applicazioni in svariati campi, imaging quantistico: sono alcuni dei temi che riservano l’impatto più significativo.
Nel Quantum Manifesto [1] la Comunità Europea riconosce tutte le potenzialità di questi ulteriori sviluppi, tanto da produrre nella Commissione uno sforzo considerevole, anche e soprattutto economico, per accelerare il passaggio dalle realtà accademiche e dei centri di ricerca a più consolidate tecnologie industriali. Esiti concreti di questo sforzo sono oggi il programma di ricerca “Quantum Technologies Flagship” [2], lanciato dalla Commissione Europea nel 2018 con investimento iniziale di 1 miliardo di euro in dieci anni, destinati a crescere e la “European Quantum Communication Infrastructure” [3], iniziativa lanciata nel 2019, già sostenuta da 25 paesi dell’Unione, con l’ambizioso obiettivo di finanziare e costruire un’infrastruttura per le comunicazioni quantistiche che in dieci anni porti a servizi per la società, infrastruttura fondata su una componente di terra in fibra ottica e una spaziale (da cui una forte sinergia con l’Agenzia Spaziale Europea).
La metrologia, la scienza delle misure e della loro armonizzazione a livello mondiale, ha qui un ruolo duplice. Da un lato, continua a sviluppare dispositivi che le sono propri dalla prima rivoluzione e che sono cardine anche del Quantum Manifesto, come gli orologi atomici, o i sensori che usano proprietà quantistiche, continuando a sviluppare capacità di misura sempre migliori. In questo senso, la metrologia sviluppa il pilastro del Manifesto noto come “Quantum Metrology and Sensing”. D’altro canto però, la metrologia offre la propria specificità interdisciplinare – uso della meccanica quantistica, attenzione rigorosa alle misure, compiti istituzionali di standardizzazione mondiale - e la applica anche su altri pilastri, in particolare sulla comunicazione quantistica e sulla simulazione.
Vedremo quindi brevemente come si declina il ruolo metrologico, e come lo sta interpretando l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM), espressione scientifica per l’Italia nella Convenzione Internazionale del Metro [4,5].
L’attenzione alle Tecnologie Quantistiche della comunità metrologica si è concretizzata nella creazione di un apposito European Metrology Network on Quantum Technologies (EMN-Q) promosso dall’Associazione Europea di Metrologia, Euramet, nell’attuazione di un programma europeo di investimenti per la ricerca, lo European Metrology Program for Innovation and Reasearch (EMPIR) [6]. L’attenzione di INRiM è testimoniata dal Coordinamento dell’EMN-Q, e dalla creazione di una Divisione interamente dedicata alla Metrologia Quantistica.

 

Tecnologie quantistiche basate su Orologi Atomici

Tra le tecnologie quantistiche, gli orologi atomici rivestono un ruolo di cerniera: protagonisti della prima rivoluzione quantistica a partire dagli anni Cinquanta del secolo scorso, compiono un’importante evoluzione con l’utilizzo dell’interazione collettiva tra laser e atomo (raffreddamento laser) e il confinamento laser in reticolo di atomi neutri e di ioni carichi in trappole elettromagnetiche. Lo sviluppo definitivo che li colloca nella seconda rivoluzione quantistica è il passaggio da orologi nel regime delle microonde ad orologi atomici nel regime ottico, detti appunto orologi ottici [7-11].
In un orologio atomico, un sistema quantistico a due livelli funge da riferimento di frequenza per una radiazione in grado di eccitare gli atomi tra due stati di una transizione quantistica detta di orologio. Negli orologi ottici, la radiazione ha una frequenza nel visibile.
Il passaggio agli orologi ottici ha aperto un salto importante nell’accuratezza e nella stabilità di questi sistemi, che hanno migliorato di almeno due ordini di grandezza l’accuratezza ultima di misura, arrivando a parti in 1e18 in termini di frequenza relativa, e di tre ordini di grandezza la cosiddetta stabilità, che identifica anche il rumore statistico esibito da questi dispositivi. Il miglioramento della stabilità è legato alla velocità con cui gli orologi raggiungono la loro migliore accuratezza; inoltre, il tempo di misura migliora in modo proporzionale al quadrato della stabilità, per cui tre ordini di grandezza di stabilità significa raggiungere la stessa incertezza di misura in un milionesimo del tempo necessario, come si vede in Figura 1. 

 

Figura 1 - Stabilità degli orologi atomici al Cesio e ottici. Sono riportate le incertezze introdotte dai sistemi di distribuzione dei segnali degli orologi in remoto, con tecniche satellitari e in fibra ottica. La combinazione di orologi ottici e fibra ottica permette la migliore accuratezza in remoto per metrologia quantistica di frequenza e sensing.

Dal punto di vista delle tecnologie quantistiche, abbiamo quattro rami principali a cui gli orologi ottici sono interessati. In primis, l’accuratezza a cui sono giunti li rendono dei sensori quantistici molto spinti. Un esempio è il loro utilizzo in nuove forme di misure geodetiche, note come geodesia relativistica, dimostrato per la prima volta all’INRiM con il suo orologio al Cesio e ad atomi di Itterbio ultrafreddi e un orologio trasportabile tedesco allo Stronzio [12].  Grazie alle nuove accuratezze e alla sensibilità degli orologi dal campo gravitazionale, dato dalla teoria della relatività, due orologi ottici riescono a misurare la differenza di potenziale gravitazionale locale a livello centimetrico. Analoghe possibilità si offrono per la misura di campi magnetici.
Una secondo filone di sviluppo è legato al quantum computing e a alla simulazione quantistica. L’enorme accuratezza con cui si determina l’energia dei livelli energetici di un sistema atomico o a ione per un orologio, li rende candidati ideali per identificare celle di qubit, il cuore di un computer quantistico, dove due stati quantistici sono sovrapposti per creare un quantum-bit, una sovrapposizione di due stati analogo a una base binaria, che evolve secondo le leggi quantistiche e permette una computazione più potente dell’analogo classico. Gli orologi a ioni sono in questo caso più indicati, perchè i “qubit” realizzati con questi dispositivi sono manipolabili con maggiore sensibilità – gli orologi a ione sono capaci di disporre singoli ioni in array, che determinano quindi array di qubit. Gli orologi ad atomi neutri invece sono archetipi per la simulazione quantistica: sono in grado cioè di usare questi sistemi manipolabili e misurabili con grande precisione per simulare la fisica quantistica che descrive i comportamenti di altri stati, come quelli tipici della fisica dello stato solido e del magnetismo [13].
Un terzo filone di ricerca invece usa al contrario il paradigma della seconda rivoluzione quantistica: usare fenomeni più complessi per migliorare gli orologi – il cosiddetto enhancement quantistico. In questo caso la ricerca si concentra sul fenomeno dell’entanglement e ancor di più dello squeezing quantistico. Lo squeezing sfrutta una proprietà fondamentale del principio di indeterminazione di Heisenberg. Due variabili (ovvero due grandezze fisiche) tra loro coniugate non possono essere determinate con incertezza simultaneamente migliorabile a piacere. Il prodotto delle loro incertezze sarà sempre maggiore o al massimo uguale a una quantità proporzionale alla costante di Planck. Nel caso degli orologi, le grandezze coniugate sono alcune funzioni del momento angolare quantistico dell’atomo: la sua proiezione sull’asse di quantizzazione (ottenuto attraverso un campo magnetico) porta l’informazione di orologio, mentre una data combinazione delle componenti su un piano ortogonale all’asse sono la grandezza coniugata.
Lo squeezing consiste nel ridurre significativamente l’incertezza sulla componente di orologio a scapito dell’incertezza sull’altra grandezza. Nel sistema sperimentale, questo viene fatto con accoppiamenti del sistema atomico a luce laser su determinate frequenze. Ne risulta un sistema che sfrutta proprietà avanzate della fisica quantistica per produrre orologi ancora più veloci nelle loro capacità di misura. All’INRiM, quest’ambito di ricerca si svolge su un orologio ad atomi di Stronzio ultrafreddi [14].
L’ultimo filone di ricerca è la miniaturizzazione degli orologi ottici, che permetterà di trasferire le conquiste delle nuove tecnologie quantistiche su sistemi reali come satelliti e sistemi di telecomunicazione, permettendo così un balzo in avanti nel geoposizionamento e nelle comunicazioni avanzate come quelle del 5G.

 

Metrologia quantistica e Quantum Key Distribution

La comunicazione quantistica è uno dei pilastri del Quantum Manifesto: si fonda sui principi dell’entanglement e della sovrapposizione quantistica per trasportare maggiori informazioni di quanto possa la comunicazione classica. É plausibile che questo tipo di comunicazione sosterrà meglio in futuro le reti di computer quantistico, permettendo di evitare un passaggio quantistico-classico-quantistico qualora due computer quantistici dovessero parlare tra loro con protocolli classici.
In realtà un sottoinsieme delle comunicazioni quantistiche si rivela già oggi una tecnologia pronta per l’utilizzo nella società: lo scambio quantistico delle chiavi crittografiche, ovvero la Quantum Key Distribution (QKD). Con la QKD sussiste un’interessante interdisciplinarietà tra la comunicazione e la metrologia quantum: la metrologia è cruciale in questa fase per garantire standard tali da certificare i prodotti di QKD e garantire metriche di valutazioni omogenee tra le varie nazioni. Inoltre vedremo tra breve che alcune conoscenza tipiche sviluppate per la metrologia sono complementari a quelle della QKD per permetterne la vera applicazione in campo.
Ma in primis, vediamo brevemente il fondamento quantistico della QKD. Il protocollo QKD si basa su un fenomeno noto anche come collasso della funzione d’onda. I sistemi quantistici sono caratterizzati da una serie di stati cosiddetti puri, ma uno stato generico è dato da una sovrapposizione di tutti o alcuni stati puri del sistema. Questo vale anche per i fotoni, i quanti di luce, che sono alla base dei protocolli di comunicazione. I fotoni che viaggiano su una fibra ottica possono essere descritti da una combinazione lineare di stati puri, per esempio in polarizzazione, con una miscela quantistica di stati verticali e orizzontali. Se passiamo dal mondo macroscopico a molti fotoni a una situazione di singolo fotone, questo continua a essere descritto da una sovrapposizione di stati fino alla misura, ovvero fino a quando non interagisce con un fotorivelatore, dove il suo stato collassa ovvero si presenterà con uno stato definito di polarizzazione, per esempio o verticale o orizzontale. Tuttavia, preparando diversi fotoni singoli nello stesso modo, in una sovrapposizione identica di stati, all’interazione con il fotorivelatore questi collasseranno in modo casuale in uno dei due stati, seguendo però una ben nota statistica.
L’idea della QKD è di codificare sui singoli fotoni i bit di una chiave crittografica e di lanciare nel canale di comunicazione i bit sotto forma di singoli fotoni. Il vantaggio rispetto a una comunicazione classica è che se la chiave viene intercettata sul canale di comunicazione, il collasso della funzione d’onda avviene ad opera di chi intercetta. Il collasso è irreversibile: il destinatario della chiave si accorgerà dell’intercettazione perché la statistica di conteggi non è più compatibile con singoli fotoni in una sovrapposizione di stati, ma soltanto con fotoni “collassati”. In altre parole, abbiamo una legge irreversibile di natura che garantisce di conoscere la violazione della chiave.
La metrologia della QKD si concentra su tre filoni di ricerca. Innanzitutto, per la creazione di un protocollo di QKD sono indispensabili sorgenti di singolo fotone, codificatori di bit su questi fotoni, e infine rivelatore di singolo fotone. Le capacità di questi elementi devono essere certificate e standardizzate per garantire l’efficienza del protocollo quantistico, su cui INRiM è attivo da diversi anni [15]. Un secondo filone è la realizzazione in campo. Qui la comunicazione quantistica si  avvarrà dell’esperienza su fibra ottica che proviene dalla metrologia di tempo e frequenza: INRiM ha già dato diversi contributi con la propria esperienza sulla propria dorsale in fibra ottica (vedi paragrafo 5) [16-19]. Infatti, la conoscenza di alcune proprietà della fibra, non tanto l’attenuazione, ma il rumore di fase e di polarizzazione sono componenti cruciali per realizzazioni in campo efficaci [17]. Negli anni e per altri motivi, la metrologia ha sviluppato tecniche di misura e di controllo di queste priorità che ora si rivelano importanti per capire il sistema QKD in ambiente reale, soprattutto quando si parla di tragitti maggiori di distanze di pochi chilometri. In figura 2,3 si mostrano i risultati delle misure di rate QKD e del rumore di fase in due diversi esperimenti. Figura 4 riporta il set-up sperimentale di una distribuzione di entanglement su cavo sottomarino [18]

 

Figura 2 - Test di QKD in campo reale sulla dorsale quantistica dell’INRiM [16].

 

Figura 3 - Rumore di fase della fibra ottica in applicazioni di tecnologie quantistiche. Confronto tra tratti terrestri e tratti sottomarini [17]

 

Figura 4 - Esperimento sottomarino di entanglement a singolo fotone. Set up sperimentale [18,19]

 

Imaging: a super-risoluzione quantistica

Un ambito di ricerca del sensing quantistico di grande rilevanza è l’imaging quantistico [20]. L’imaging è ovviamente un settore di notevoli investimenti da sempre, in particolare per quanto riguarda la microscopia: gli avanzamenti nella risoluzione dell’indagine del microcosmo hanno portato sempre a notevoli sviluppi nelle scienze, soprattutto biologiche e dei materiali [21].
L’illuminazione di oggetti con luce quantistica, ovvero usando emettitori di singolo fotone, permette di estrarre informazioni dalle correlazioni misurate dai fotorivelatori che catturano i singoli fotoni diffusi dal target illuminato. Le proprietà di diffrazione e le limitazioni di risoluzione legate alla diffrazione classica possono essere superate, sfruttando effetti quantistici come l’antibunching, tecniche esotiche note come ghost imaging e che hanno tutte due obiettivi primari: da un lato, l’imaging di sorgenti debolissime, dove il rumore ottico di fondo impedisce la risoluzione dell’immagine; da un altro, il superamento dei limiti di risoluzione dati dalla diffrazione.
Il Ghost imaging fu proposto e realizzato negli anni Novanta del secolo scorso, usando correlazioni quantistiche generate da sorgenti di luce note come spontaneous parametric down conversion (SPDC).  In realtà, questo tipo di tecnica si trovò inizialmente a definire il dibattito scientifico nel confine tra effetti classici ed effetti quantistici, ma successivamente ottenne maggiore attenzione perché si dimostrò utile in svariati casi del mondo reale, in cui per esempio il fondo ambientale sovrasta l’oggetto da vedere, come per esempio nei casi di turbolenza atmosferica e sorgenti a bassa intensità, utilizzando le correlazioni del numero di singoli fotoni.
D’altro canto, la sensibilità nell’imaging ottico classico è limitata dal rumore di tipo shot, che è inversamente proporzionale alla radice quadrata del numero di fotoni usati. Andare oltre questo limite è uno dei temi classici del sensing quantistico, specialmente quando il caso concreto in esame ha dei limiti nella potenza ottica utilizzabile, per esempio perché c’è un limite di danneggiamento o di degradazione del campione da visualizzare. Luce non classica si rivela particolarmente interessante nell’imaging sub-shot noise [22, 23]. In questo caso, diversi sono le sorgenti possibili, ma meritano menzione le coppie di fotoni entangled che accoppiate a rivelatori di singolo fotone permettono un sensing quantum enhanced fino a raggiungere anche qui il limite fondamentale di Heisenberg in microscopia. Anche in questo settore, INRiM ha dato contributi rilevanti per avanzare le capacità di microscopia e quest’area di ricerca rimane strategica per l’Istituto.

 

Infrastrutture per le tecnologie quantistiche all’INRiM: Italian quantum Backbone e Laboratorio Piquet

Nel quadro descritto, INRiM ha dedicato particolare attenzione alle infrastrutture di ricerca, realizzando due rilevanti sistemi, aperti anche ad altri istituti e collaborazioni.
La prima infrastruttura è l’Italian Quantum Backbone [24], una dorsale in fibra ottica di 1800 km dedicata alla distribuzione dei riferimenti degli orologi ottici e allo sviluppo in campo di tecnologie quantistiche come la QKD (la Figura 5 mostra lo sviluppo geografico della dorsale). La dorsale collega tutte le principali città italiane, i principali centri di ricerca nazionali (CNR, INAF, ASI) e si collega a reti analoghe europee. La struttura è aperta alle collaborazioni di ricerca anche con l’industria, come sta avvenendo con le principali aziende nel settore dell’aerospazio e della difesa.
La seconda infrastruttura di ricerca è il laboratorio Piemonte Quantum Enhanced Techonologies (Piquet) [25], finanziato da fondi europei POR-FESR sul bando Infra-P della Regione Piemonte, coordinato da INRiM in collaborazione con Politecnico e Università di Torino. Piquet è un laboratorio in camera pulita (500 metri quadri) che accoglie macchine di nanofabbricazione per le nanotecnologie, le tecnologie quantistiche e i dispositivi, in particolare quelli della comunicazione e del sensing quantistico descritti in precedenza.
Anche Piquet vuole essere un’infrastruttura di ricerca aperta, per collaborazioni soprattutto industriali.

 

Figura 5 - Dorsale Italiana in Fibra Ottica dell’INRiM per le tecnologie quantistiche

 

Conclusioni

La metrologia quantistica, come quella tradizionale, si presenta con sfumature diverse. Da ogni punto di vista, un approccio metrologico alle tecnologie quantistiche si caratterizza per una grande attenzione al rigore della qualità delle misure, al percorso più opportuno per la certificazione e la standardizzazione e infine a un rapporto molto stretto con l’industria e al servizio del tessuto produttivo nazionale e internazionale.
Un aspetto caratteristico è invece dato dalla vicinanza tra innovazione tecnologica e tentativo di standardizzazione, che trova sintesi nell’accelerazione della presa di beneficio da parte delle aziende. In questo senso, le iniziative della Commissione Europea spingono molto a questa convergenza rapida tra risultati dei centri di ricerca e il loro recepimento da parte del tessuto produttivo, con una forte incentivazione di natura economica già in atto e che vede un rafforzamento nei prossimi anni.
Dal punto di vista meramente tecnico-scientifico, le tecnologie quantistiche di seconda generazione mostrano già una maturità di rilievo in alcuni dispositivi (sensing, QKD, metrologia di frequenza), ma hanno potenzialità ancora forti e soprattutto vedono nel processo di micro e nanofabbricazione una convergenza rispetto a quelle piattaforme che sono state dominanti nella prima rivoluzione quantistica.

 

Bibliografia

[1] http://qurope.eu/manifesto

[2] https://qt.eu/

[3] https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/future-quantum-eu-countries-plan-ultra-secure-communication-network

[4] https://www.bipm.org/en/worldwide-metrology/national/

[5] https://www.inrim.it/lente/chi-siamo/missione

[6] https://www.euramet.org/european-metrology-networks/quantum-technologies/

[7] Nicholson, T. L. et al. Systematic evaluation of an atomic clock at 2× 10−18 total uncertainty. Nat. Commun. 6, 6896 (2015).

[8] Ushijima, I., Takamoto, M., Das, M., Ohkubo, T. & Katori, H. Cryogenic optical lattice clocks. Nat. Photon. 9, 185–189 (2015).

[9] Huntemann, N., Sanner, C., Lipphardt, B., Tamm, C. & Peik, E. Single-ion atomic clock with 3× 10−18 systematic uncertainty. Phys. Rev. Lett. 116, 063001 (2016).

[10] Margolis, H. Timekeepers of the future. Nat. Phys. 10, 82–83 (2014).

[11] Pizzocaro, M. et al. Absolute frequency measurement of the 1S0–3P0 transition of 171Yb with a link to international atomic time, Metrologia 57 035007 (2020)

[12] Grotti, J. et al., Geodesy and metrology with a transportable optical clock, Nature Physics, 14, 437 (2018)

[13] Livi, L. F. et al., Synthetic Dimensions and Spin-Orbit Coupling with an Optical Clock, Physical Review Letters, 117, 220401 (2016)

[14] http://rime.inrim.it/labafs/

[15] Meda, A. et al. Quantifying backflash radiation to prevent zero-error attacks in quantum key distribution, Light-Science & Applications,  6, e16261 (2017)

[16] Bacco, D. et al. Field trial of a three-state quantum key distribution scheme in the Florence metropolitan area, Epj Quantum Technology, 6, 5 (2019)

[17] Clivati et al., Optical frequency transfer over submarine fiber links Optica 5, 893-901 (2018)

[18] Wengerowsky, S. et al.  Passively stable distribution of polarisation entanglement over 192 km of deployed optical fibre Npj Quantum information 5, 6 (2020)

[19] Wengerowsky, S. et al Entanglement distribution over a 96-km-long submarine optical fiber, Pnas, 116, 6684-6688 (2019)

[20] Berchera Ruo, I. et al. Quantum imaging with sub-Poissonian light: challenges and perspectives in optical metrology Metrologia, 024001, 56 (2019)

[21] https://www.nature.com/collections/gypbyxmrcq

[22] Samantaray, N. et al. Realization of the first sub-shot-noise wide field microscope Light-Science & Applications 6, e17005 (2017)

[23] Brida, G.et al., Experimental realization of sub-shot-noise quantum imaging Nature Photonics, 4,227-230 (2010)

[24] Calonico, D.et al., Light and the distribution of time, 40001, 100 (2015)

[25] http://www.piquetlab.it/