Il microscopio quantistico, la nuova invenzione della fisica

L’entanglement è forse la scoperta più importante e destabilizzante della fisica contemporanea. Per dirla in modo semplice, consiste in una sorta di gemellaggio essenziale tra due micro particelle o sistemi microparticellari. Può avvenire tra enti posizionati a qualsiasi distanza l’uno rispetto all’altro e fa sì che un cambiamento occorso a uno si trasmetta istantaneamente all’altro. Non è ancora stato possibile collocare questo fenomeno in modo soddisfacente nel quadro della relatività generale, perché una trasmissione di informazioni istantanea ignora i limiti del continuum spaziotemporale così come definiti da Albert Einstein, innanzitutto quello fondamentale della velocità luminale.

Il fatto che l’entanglement non rientri nella fisica comunemente intesa lo rende tanto un problema teorico quanto una scappatoia pratica che ci permette di superarne i confini e creare nuovi materiali e strumenti dal potenziale incalcolabile, il più chiacchierato dei quali è al momento il computer quantistico.

Un progetto australiano

Meno discusso, ma altrettanto affascinante è però un progetto australiano che potrebbe schiudere le porte a una migliore comprensione delle strutture biologiche, offrendo informazioni cruciali per il futuro della biologia e della medicina. Il 9 giugno di quest’anno, un’équipe di ricercatori della University of Queensland, guidata dal professor Warwick Bowen, ha pubblicato su Nature un articolo che illustra i contenuti di un ambizioso progetto scientifico finanziato dall’Aeronautica militare statunitense e dal Governo australiano: la creazione di un microscopio quantistico.

I microscopi ottici attualmente utilizzati hanno un limite strutturale nella loro capacità di restituirci immagini nitide di oggetti piccolissimi: le fluttuazioni causali della luce. Noi vediamo gli oggetti colpiti dalla luce, perché questi ne riflettono una buona parte, emettendo un segnale che gli occhi, o strumenti tecnologici più raffinati degli occhi, possono recepire e interpretare. Tuttavia, la luce è un’onda e le sue increspature, nell’ambito del microscopico, sono abbastanza importanti da sfumarne i contorni, mescolando gli oggetti che stiamo cercando di osservare con lo sfondo.

Microscopio quantistico: la diffrazione

Si tratta del ben noto fenomeno della diffrazione, tipico di ogni genere d’onda. Fluttuando, i fotoni aggiungono un rumore visivo al segnale dell’immagine. Aumentando l’intensità della luce e l’uniformità della sua distribuzione, il problema della distorsione tende a rientrare e per questo i microscopi confocali più avanzati illuminano gli oggetti da analizzare con laser ad alta frequenza miliardi di volte più luminosi del Sole. Questo risolve il problema con la maggior parte dei composti, ma con quelli biologici ne crea un altro, perché una possente radianza luminosa li modifica e brucia in poco tempo.

La superiorità dei microscopi elettronici, nati negli anni Trenta, deriva proprio dal fatto che il potere di risoluzione sia inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda della radiazione utilizzata, che è minore per un fascio di elettroni rispetto a uno di fotoni. I microscopi elettronici sono però molto costosi, devono operare in assenza d’aria, vibrazioni e campi magnetici. A differenza dei fotoni, gli elettroni hanno una massa che impatta sugli oggetti, provocando altri tipi di alterazione. Inoltre questi sistemi devono essere alimentati con correnti elettriche stabili a tensioni di almeno cinquemila Volt.

Il microscopio quantistico

Il microscopio quantistico pone in entanglement tra loro i fotoni che trasmettono il segnale, bloccandoli in uno stato coerente che impedisce loro di vibrare eccessivamente. Si parla proprio di squeezing, cioè di strizzamento del segnale luminoso. Il segnale arriva così ai sensori con una precisione aumentata almeno del 14%, se lo squeezing viene applicato a un microscopio Srsm (Stimulated Raman scattering microscopy). Si stima che il rapporto segnale-rumore nell’analisi dei legami molecolari interni alle cellule viventi possa essere migliorato del 35% rispetto a quello ottenuto per mezzo della microscopia convenzionale. Un imaging così implementato potrebbe fornire alla ricerca medica informazioni essenziali per il contrasto al cancro e alle malattie degenerative.

Lo studio in questione è esplorativo e aspira unicamente a stabilire la realizzabilità teorica di questi apparati, ma Vittorio Giovannetti, esperto in ottica quantistica della Scuola Normale Superiore di Pisa, ha dichiarato che questa ricerca sia “sicuramente un significativo passo in avanti in questa cosiddetta nuova rivoluzione quantistica, che sta portando allo sviluppo concreto di strumenti che finora erano solo previsti sulla carta.”