MIGLIORARE LIGO E VIRGO AGGIRANDO HEISENBERG

Trucchi quantistici per le onde gravitazionali

Un team di scienziati del Niels Bohr Insitute danese è convinto di poter ridurre il rumore quantistico degli interferometri usando una piccola cella di vetro piena di atomi di cesio. Fiodor Sorrentino (Infn): «Se dimostrato, questo metodo permetterebbe di raddoppiare la sensibilità di Ligo e Virgo a tutte le frequenze»

Eugene Polzik e Farid Khalili, della collaborazione Ligo e della Moscow State University, autori dello studio uscito su Physical Review Letters. Crediti: Ola J. Joensen

L’ambizione è notevole: migliorare le prestazioni di macchine al limite dell’incredibile come gli interferometri per onde gravitazionali Ligo e Virgo – già oggi in grado di rilevare deformazioni dello spaziotempo di appena qualche frazione del raggio di un protone. E tutto grazie a quello che gli stessi autori, un team di fisici del Niels Bohr Institute, all’università di Copenhagen, definiscono un “trucco quantistico”: una sorta di “filtro”, formato da una nube di cento milioni di atomi di cesio, capace di neutralizzare la cosiddetta quantum back action – un effetto indesiderato legato al principio di indeterminazione di Heisenberg.

Illustrata lo scorso luglio sulle pagine di Physical Review Letters (e prima ancora su Nature), per ora è poco più d’una brillante idea, ma a breve – la stima dei ricercatori, per un prototipo, è di circa tre anni – dovrebbe concretizzarsi in una linea di dispositivi veri e propri. E a quel punto, se le prestazioni non tradiranno le attese, i rivelatori di onde gravitazionali potrebbero diventare capaci di monitorare ed effettuare misurazioni in un volume di universo otto volte più grande di quanto sia attualmente possibile. «Un incremento veramente significativo», sottolinea il responsabile del Quantum Optics del Niels Bohr Institute, Eugene Polzik, autore dello studio insieme a Farid Khalili.

Quale sia esattamente il problema che il dispositivo del Niels Bohr Institute potrebbe risolvere, e quali le prospettive concrete di applicazione negli interferometri per onde gravitazionali esistenti oggi al mondo, Media Inaf lo ha chiesto a un esperto del settore, Fiodor Sorrentino, ricercatore alla sezione di Genova dell’Istituto nazionale di fisica nucleare e membro della Collaborazione Virgo.

Quali sono questi effetti quantistici indesiderati che affliggono i rivelatori per onde gravitazionali?

«La sensibilità dei rivelatori interferometrici di onde gravitazionali, come Virgo e Ligo, è limitata in ultima analisi dal cosiddetto rumore quantistico. Questo è dovuto alla distribuzione disordinata dei “pacchetti” di luce – i fotoni – nel laser che interroga l’interferometro, e si manifesta sotto due aspetti complementari: il rumore “shot”, che disturba il rivelatore alle alte frequenze, ed il rumore di pressione di radiazione, che disturba la posizione degli specchi sospesi alle basse frequenze».

È possibile ridurli, questi rumori?

«I ricercatori di Virgo e Ligo hanno sviluppato metodi per ridurre il rumore shot, utilizzando stati quantistici della luce (“squeezing”). Tuttavia, in virtù del principio di indeterminazione di Heisenberg, la riduzione del rumore shot è accompagnata da un aumento del rumore di pressione di radiazione. Per il futuro sono allo studio metodi per produrre uno squeezing dipendente dalla frequenza, che permetta allo stesso tempo una riduzione del rumore shot alle alte frequenze, e del rumore di pressione di radiazione alle basse frequenze. Questi metodi richiederanno un sostanziale aumento di complessità dei rivelatori, con la installazione di ulteriori specchi sospesi».

Metodi come quello che stanno mettendo a punto al Niels Bohr Institute?

«Il gruppo di Polzik ha proposto un metodo per generare uno squeezing dipendente dalla frequenza mediante l’applicazione di un sistema più semplice ed economico, basato sulla produzione di stati quantistici in un vapore atomico di cesio. Se dimostrato, questo metodo permetterebbe di raddoppiare la sensibilità di Ligo e Virgo a tutte le frequenze».


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