La meccanica quantistica al servizio della qualità dei prodotti

In uno studio pubblicato nell’autorevole rivista Science Advances, un gruppo di ricercatori del Politecnico di Torino e dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) ha proposto un innovativo approccio, basato su tecnologie quantistiche, per verificare se un processo produttivo sia conforme alle attese o sia in qualche modo ‘difettoso’.

Un corretto monitoraggio dei processi di produzione è fondamentale sia dal punto di vista della sicurezza dei prodotti rilasciati e sia dal punto di vista dell’efficienza economica del processo stesso. La verifica della conformità avviene spesso tramite misurazioni su un sottoinsieme casuale dei prodotti finali.

I ricercatori hanno mostrato che, a parità di energia irradiata sui campioni, l’uso di sorgenti di luce quantistiche “entangled” può ridurre sensibilmente la probabilità di avere errori di classificazione - conforme oppure difettoso – nella valutazione dei più diversi processi produttivi, migliorando quindi in modo sostanziale l’efficienza del monitoraggio. L'entanglement (tra due fasci di fotoni) in meccanica quantistica è l'esistenza di un grado di correlazione superiore a quanto possibile in sorgenti di luce “classiche” (ovvero descrivibili in termini della fisica classica).

Nello studio viene riportata la realizzazione sperimentale di quello che i ricercatori di Politecnico e INRiM hanno chiamato “quantum conformance test”. Si tratta di due fasci di luce correlati tra loro, di cui uno solo viene fatto interagire con l’oggetto testato, mentre l’altro è usato per misurare le fluttuazioni della luce stessa con altissima precisione. L’esperimento mostra come il quantum conformance test sia realizzabile con l’attuale tecnologia disponibile nei laboratori e in prospettiva sia trasferibile verso applicazioni pratiche in tempi brevi.

Un esempio di questo processo di valutazione sono le misure di trasmissione ottica e spettroscopica, utili per la caratterizzazione di concentrazioni chimiche e campioni biologici. Poiché ogni sostanza assorbe la luce in modo diverso, alle varie frequenze ottiche – vale a dire i colori nello spettro visibile - la concentrazione può essere stimata con una misura di trasmissione ottica, ovvero misurando l’intensità della luce prima e dopo. Tuttavia, il processo di produzione è affetto da fluttuazioni statistiche e quindi le concentrazioni, e di conseguenza anche l’intensità ottica trasmessa, si distribuiscono in modo noto attorno a un valore di riferimento.

Le fluttuazioni intrinseche delle sorgenti di luce convenzionali, tipicamente utilizzate nelle misure ottiche, inclusi i laser, limitano l’accuratezza nella caratterizzazione dei prodotti. Questo è particolarmente rilevante nel caso di campioni fotosensibili, per i quali è fondamentale utilizzare luce a bassa intensità e limitare al minimo il numero di prodotti testati. In questa situazione, l’effetto delle fluttuazioni d’intensità della sorgente è fortemente amplificato. Il protocollo, messo a punto dai ricercatori e illustrato nell’articolo, mostra ottime prospettive di riduzione del margine di errore in monitoraggi di questo tipo.

“Il nostro protocollo si inquadra in un campo in rapida crescita, quello delle tecnologie quantistiche – dichiara il dottorando Giuseppe Ortolano, primo autore dello studio pubblicato - In questo contesto il nostro risultato è importante sia perché prospetta una interessante nuova applicazione delle risorse quantistiche sia perché la nostra prova di principio dimostra come la tecnica proposta sia matura per possibili applicazioni pratiche”.

Lo studio è stato finanziato dal programma di innovazione e ricerca dell’Unione Europea Horizon 2020 nell’ambito del progetto 'Quantum readout techniques and technologies' (QUARTET, grant agreement N. 862644).