Estensione dei confini del controllo quantistico di luce e materia per applicazioni pratiche
I sistemi meccanici quantistici presentano molte caratteristiche uniche, che non si osservano nei sistemi meccanici classici. Negli ultimi anni, sono emersi metodi sistematici per manipolare e interrogare tali sistemi microscopici con applicazioni che vanno dalla spintronica ai computer quantistici e alle applicazioni biologiche. Tuttavia, mentre il controllo di piccoli sistemi quantistici è stato esplorato in modo esteso, il controllo di grossi sistemi quantistici è ancora arduo. Gli scienziati del progetto QUANTUM CONTROL (Tailoring decoherence for controlling spin systems: Deepening foundations; expanding applications), finanziato dall’UE, hanno utilizzato un simulatore quantistico basato sullo spin nucleare al fine di studiare la diffusione delle informazioni all’interno di sistemi relativamente grandi. Tali grossi sistemi quantistici sono stati affrontati mediante la combinazione di simulazioni quantistiche con esperimenti di risonanza magnetica nucleare (RMN). In particolare, gli scienziati hanno studiato la propagazione delle informazioni nei sistemi a stato solido con interazioni dipolari. Hanno dimostrato il modo in cui le perturbazioni dirette agli accoppiamenti dipolari abbiano limitato la diffusione, e il motivo per cui è necessario ridurre la forza di qualsiasi perturbazione sotto una determinata soglia per creare grandi stati quantici in modo controllabile. Solo al di sotto di tale soglia, il sistema quantistico osservato è libero di espandersi nello spazio. Il passo successivo è stato quello di sviluppare metodi per polarizzare gli spin nucleari dagli elettroni liberi alla rinfusa. Questi approcci innovativi che mirano ai diamanti con centri di azoto vacante sono compatibili con una vasta gamma di intensità e orientamenti di campo magnetico. Un efficiente trasferimento relativo all’allineamento di spin potenzia il segnale emesso dai nuclei atomici offrendo nuove modalità di utilizzo per le polveri di diamante, in quanto ad analisi RMN. Anche le sequenze spin-echo hanno attirato l’attenzione degli scienziati, essendo un prezioso strumento per accoppiare e disaccoppiare gli effetti imposti dai disturbi ambientali casuali. Questo concetto può essere sfruttato come strumento diagnostico per ricavare informazioni da sistemi confinati. Gli spin sono utilizzati come sonde quantistiche, la cui dinamica può essere caratterizzata da processi di diffusione. Il team QUANTUM CONTROL ha sviluppato una serie di metodi per la stima precisa dei parametri relativi ai processi fisici, chimici e biologici. Le sequenze spin-echo consentono di stabilire questi parametri con il minor numero possibile di misure. In modo ancora più importante, è possibile ottenere un’alta precisione ottimizzando il controllo quantistico di tali sonde. Combinati con la capacità di immaginografia spaziale della risonanza magnetica standard, i risultati costituiscono un modo completamente nuovo per misurare architetture strutturali microscopiche ad altissima risoluzione. I risultati del progetto sono stati descritti nel dettaglio in numerose pubblicazioni su famose riviste specializzate. Si ritiene che le applicazioni dei nuovi metodi debbano avere luogo nelle scienze dei materiali e in biologia, allo scopo di estrarre informazioni in modo non invasivo da sistemi confinati quali capillari, pori e cellule. Inoltre, possono trovare applicabilità nella preparazione degli stati di spin nucleari per le memorie quantistiche e per l’immaginografia dei tessuti viventi mediante l’osservazione di nanodiamanti polarizzati. I nanodiamanti possono essere iniettati in modo sicuro e successivamente eliminati da parte degli animali oppure, in alternativa, possono essere messi a contatto con altre soluzioni liquide per trasferire la polarizzazione dai diamanti alla soluzione.
Parole chiave
Controllo quantistico, rilevamento quantistico, sistemi quantistici, computer quantistici, spin nucleare, sequenze spin-echo, risonanza magnetica nucleare, risonanza magnetica, centri di azoto vacante, sistemi confinati
