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Un gruppo di ricercatori finlandesi ha realizzato un sensore quantistico capace di misurare energie estremamente piccole, stabilendo un nuovo standard di sensibilità. La scoperta promette ricadute sul calcolo quantistico e sulla ricerca della materia oscura. Il cuore dell’innovazione è un calorimetro ultra-sensibile che ha rilevato impulsi elettromagnetici di energia quasi infinitesimale. I risultati potrebbero avvicinare la possibilità di contare singoli fotoni, un traguardo per la fisica quantistica.
Record di sensibilità: misure fino allo zeptojoule
Il dispositivo ha rilevato livelli di energia inferiori a un zeptojoule, una scala che sfida la percezione quotidiana. Un zeptojoule è pari a un trilionesimo di miliardesimo di joule, una quantità quasi impalpabile. Per rendere l’idea, è simile all’energia richiesta per spostare una cellula rossa di un nanometro nella gravità terrestre. Il team ha misurato un impulso da 0,83 zeptojoule, un primato per un calorimetro.
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Gli autori sottolineano che si tratta della prima misurazione calorimetrica a questa soglia di sensibilità. Il risultato è stato possibile grazie a lunghe sessioni di calibrazione e a sofisticati filtraggi del rumore. Questi protocolli hanno permesso di distinguere un segnale reale da eventuali artefatti sperimentali.
Come funziona il calorimetro quantistico
Struttura e materiali
Il sensore combina superconduttori con conduttori convenzionali per creare una risposta estremamente sensibile. I superconduttori conducono senza perdita, mentre i metalli resistivi trasformano minime energie in variazioni rilevabili. Questa convivenza rende la superconduttività molto fragile se la temperatura aumenta anche di poco. Il principio sfrutta proprio questa fragilità per convertire assorbimenti di energia in segnali misurabili.
Protocollo sperimentale e impulsi a microonde
Nell’esperimento i ricercatori hanno inviato impulsi a microonde verso il calorimetro per valutarne la risposta termica. L’apparato è stato mantenuto a temperature ultrafredde, nell’ordine dei millikelvin, per preservare lo stato superconduttivo. Successivamente sono stati applicati algoritmi e filtri per ridurre il rumore di fondo elettrico.
Controllo del rumore e affidabilità delle misure
Isolare il segnale utile dagli artefatti ambientali è stato essenziale per dichiarare la scoperta. Sono state adottate soluzioni tecniche per minimizzare rumori termici ed elettronici. Il risultato finale è una misura che gli autori considerano robusta e riproducibile.
Applicazioni nel calcolo quantistico e nella ricerca di materia oscura
I vantaggi concretamente sfruttabili riguardano il mondo dei qubit e dei sistemi di lettura quantistici. Il calorimetro può operare alle stesse temperature richieste dai qubit, evitando riscaldamenti o amplificazioni invasive. Questo riduce le perturbazioni sul sistema quantistico e semplifica l’interfacciamento con dispositivi di lettura. Operare a millikelvin rappresenta un vantaggio operativo per le letture dei qubit.
Nell’ambito astrofisico la tecnologia è utile per rilevare segnali deboli e imprevedibili, come quelli attesi dagli axioni. Gli axioni sono ipotetiche particelle candidate a spiegare parte della materia oscura. Un sensore capace di catturare eventi con tempo d’arrivo arbitrario è quindi molto prezioso per questi esperimenti.
Tra le possibili ricadute pratiche emergono diverse applicazioni immediate e future. Alcune richiederanno ulteriori sviluppi per diventare strumenti operativi. Ecco gli ambiti che potrebbero trarre beneficio:
- Rilevazione e conteggio di singoli fotoni per sensori ottici e comunicazioni quantistiche
- Sistemi di lettura non invasivi per qubit nei computer quantistici
- Esperimenti di laboratorio per la ricerca della materia oscura, inclusa la caccia agli axioni
Gruppo di ricerca, infrastrutture e finanziamenti
Lo studio è stato guidato dal professor Mikko Möttönen dell’Università di Aalto, in collaborazione con la società IQM e il centro di ricerca VTT. Le misure sono state condotte nelle strutture di OtaNano, l’infrastruttura nazionale finlandese per nanotecnologie e tecnologie quantistiche. I risultati sono stati pubblicati su Nature Electronics, sottolineando la rilevanza scientifica del lavoro. La combinazione di competenze accademiche e industriali è stata decisiva.
Il progetto ha ricevuto supporto finanziario attraverso iniziative come il Future Makers e contributi da fondazioni locali. Questi fondi hanno permesso l’accesso a laboratori di avanguardia e a strumentazioni dedicate. La rete di finanziamento e infrastrutture ha accelerato il passaggio da ricerca di base a potenziali applicazioni pratiche.
