Svolta per l’ottica quantistica con i chip fotonici integrati

4 Gennaio 2022
Svolta per l’ottica quantistica con i chip fotonici integrati

Il Quantum Science and Technology di Trento lavora con l’ottica quantistica di ghost imaging e undetected photon spectroscopy per realizzare sistemi di monitoraggio ambientale e medico.

 

Il laboratorio Q@TN sta applicando dei chip fotonici integrati alle tecniche di ghost imaging e di undetected photon spectroscopy per creare dei sistemi ad alta precisione e basso costo in grado di analizzare la qualità dell’aria ed effettuare diagnosi mediche.

 

Ghost imaging (immagine fantasma) e undetected photon spectroscopy (spettroscopia con fotone non rilevato) sono particolari tecniche di ottica quantistica che permettono di comprendere cosa accade in una particella di luce, in base all’impronta che essa lascia su una particella correlata. Le due tecniche vengono applicate per spostare l’informazione misurata da un fotone a lunghezze d’onda difficilmente rilevabili, come il medio infrarosso, ad altre di facile accesso, come il visibile.
Queste metodologie, note e sperimentate in varie parti del mondo, sono il cuore della ricerca del Quantum Science and Technology di Trento che intende portarne i risultati dal laboratorio alla vita quotidiana.

 

Il ghost imaging aumenta la facilità e l’efficienza di misura sfruttando la correlazione quantistica tra due fotoni per trasferire l’informazione raccolta da un fotone all’altro. Qui il rimbalzo delle informazioni dal fotone che interagisce con l’oggetto all’altro fotone che viene accuratamente analizzato. Tuttavia, è comunque necessario misurare entrambi i fotoni.

“Negli anni scorsi, abbiamo lavorato al progetto SuperTwin, finanziato dall’Unione Europea, che ha portato ad un primo prototipo di microscopio ottico innovativo che sfrutta i fotoni correlati per rompere la barriera di risoluzione imposta dalle leggi della fisica classica. Sfruttando questa tecnica, in futuro sarà possibile osservare particelle di poche centinaia di nanometri, come un virus – spiega Leonardo Gasparini, ricercatore della Fondazione Bruno Kessler, nel team del laboratorio Q@TN. – Forti di questa esperienza, siamo ora al lavoro a un nuovo progetto europeo, che sfrutta la tecnica del ghost imaging per creare un microscopio ottico in grado di ‘vedere’ delle caratteristiche ‘invisibili’ di un campione”.

 

Con l’undetected photon spectroscopy, invece, non è nemmeno necessario misurare il fotone che interagisce con l’oggetto e che classicamente porta con sé l’informazione. Grazie alla correlazione quantistica tra i due fotoni, le modificazioni di uno sono riflesse nello stato dell’altro. È perciò possibile utilizzare il fotone correlato di facile lettura per ottenere informazioni sul fotone partner di difficile accesso. In altre parole, diventa possibile vedere una particella di luce senza guardarla.

Stefano Signorini, assegnista di ricerca all’Università di Trento, illustra la capacità raggiunta da Q@TN nel generare e utilizzare coppie di fotoni correlati in un circuito integrato in silicio: “Qui a Trento stiamo sviluppando un chip quantistico che rileva con precisione la quantità di un gas, come può essere l’anidride carbonica nell’ambiente, sfruttando l’undetected photon spectroscopy. Generiamo coppie di fotoni, dove un fotone è nel medio infrarosso, molto sensibile al gas, e l’altro nel visibile, facile da misurare. Il fotone che interagisce col gas, difficilmente rilevabile con le tecnologie attuali, non viene nemmeno misurato. Risaliamo alla concentrazione del gas grazie alla particella di luce visibile correlata, facile da misurare con un rilevatore di luce convenzionale. Tutto questo, su un chip miniaturizzato e a basso costo”.

 

Queste modalità di applicazione di ghost imaging e undetected photon spectroscopy saranno quindi utili a costruire strumentazioni di alta precisione, basso costo e piccole dimensioni per applicazioni ambientali, quali il controllo della qualità dell’aria, e mediche, come l’analisi in-vivo di tessuti biologici per la microscopia diagnostica, ad esempio per la rivelazione di cellule tumorali.

 

 

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