Anche se forse non lo sospettiamo, tutti i giorni usiamo sensori fotonici: quando scattiamo una foto, è grazie a un sensore che riusciamo a mettere a fuoco in modo automatico.  

Per applicazioni più sofisticate, però, è necessario che i sensori siano ottimizzati. Per chi lavora su applicazioni di punta è molto importante che il loro funzionamento garantisca le migliori prestazioni compatibili con il livello di luce adoperato. Guardando i materiali in modo più dettagliato, possiamo studiare il tempo che la luce passa all’interno del nostro campione, quello che si chiama fase ottica, oppure la frazione dell’intensità che è stata assorbita. Con gli sviluppi delle tecnologie quantistiche si è arrivati a comprendere quali sono i limiti ultimi nella precisione dei sensori di fase o di assorbimento e come raggiungerli grazie all’impiego di luce quantistica. Questi limiti, infatti, hanno una motivazione molto profonda nella fisica e sono legati alla famosa relazione di Heisenberg.

Per una visione più dettagliata di cosa accade, abbiamo però bisogno di conoscere allo stesso tempo fase e assorbimento: in questo caso, diventa molto più complesso capire quali siano i limiti ultimi nella precisione e, di conseguenza, comprendere la direzione per sviluppare sensori migliori. In tale contesto, un gruppo di ricercatori guidato dal Dipartimento di Scienze dell’Università Roma Tre (Italia), in collaborazione con l’Università di Varsavia (Polonia) e l’Università di Warwick (Gran Bretagna) ha indagato i sistemi in cui assorbimento e fase non sono slegati, ma sono collegati attraverso le relazioni di Kramers-Kronig. Si è scoperto che, guardando all’assorbimento a vari colori, è possibile ottenere anche informazioni sulla fase con la migliore precisione possibile. Questi risultati sono stati riportati nell’articolo dal titolo “Kramers-Kronig relations and precision limits in quantum phase estimation”, pubblicato nel volume 8 del 2021 di Optica.

“Fase e perdita sono considerati parametri indipendenti per la sensoristica, mentre in realtà sono due aspetti della stessa risposta del materiale alla luce – spiega la dott.ssa Ilaria Gianani, ricercatrice del Dipartimento di Scienze dell’Università Roma Tre - questa descrizione fisica, però, è stata sempre trascurata finora, mentre abbiamo dimostrato che può avere un ruolo importante nello sviluppo dei futuri sensori quantistici”.

Sebbene mirato all’ottimizzazione, al cosiddetto vantaggio quantistico, dei sensori ottici, questo studio potrà essere esteso anche a sistemi differenti. “La teoria che abbiamo sviluppato è generale e va al cuore dell’origine fisica dei limiti di precisione - spiega il prof. Marco Barbieri, docente del Dipartimento di Scienze dell’Università Roma Tre - i nostri risultati teorici possono essere alla base della realizzazione di sensori quantistici di nuova concezione in grado di guardare a materiali fragili, come quelli biologici, in modo più completo”.

(La redazione di "Le Scienze" non è responsabile del testo di questo comunicato stampa, che è stato pubblicato integralmente e senza variazioni)