Quantum Optics Experiments in Space

Space has always been a primary source of inspiration for the development of the scientific, technological, artistic, philosophical and religious thinking of the whole humankind. Space explorations marked the history of the XX century, bringing an incredible technological advancement and allowing to investigate the natural phenomena over scales and into details which are simply not available on Earth. Nowadays, the Space is the benchmark of the new quantum revolution, which promises to change the way we communicate, measure and calculate, thank to the exploitation and the control of what happens at the microscopic scale. Indeed, the quantum theory, born at the beginning of the XX century to describe the behavior of the elementary particles of Nature, has reached today an incredible reliability. As any scientific theory, Quantum Mechanics is valid within the limits in which it has been experimentally verified, and the Space is the main stage where to validate quantum predictions at large scales, in a domain that is completely different with respect to the microscopic one from which it moved. The technological advances in photonics, which allows the manipulation and the control of the single quanta of light, the photons, make today feasible fundamental tests of Quantum Mechanics in Space, experiments to investigate, for example, if entanglement is preserved along thousands of kilometers or if the wave-particle duality survives even after a Space trip. Furthermore, Space makes available relativistic regimes, in which the velocities and the distances could allow to experimentally investigate the unresolved puzzle of modern physics, that is, the interplay between Quantum Mechanics and gravitation. For these reasons, this thesis is dedicated to the Quantum Optics experiment in Space I have been involved during my PhD.

Da sempre lo Spazio è stato fonte di ispirazione per lo sviluppo del pensiero scientifico, tecnologico, artistico, filosofico e religioso per tutta l’umanità. Le esplorazioni spaziali hanno segnato la storia del XX secolo, portando un incredibile sviluppo tecnologico e permettendo di investigare i fenomeni naturali a scale e dettagli che semplicemente non si possono ottenere restando sulla Terra. Oggi lo Spazio è il banco di prova di una nuova rivoluzione quantistica, che annuncia di poter cambiare il modo in cui oggigiorno comunichiamo, misuriamo e facciamo di conto, grazie all’utilizzo e al controllo di ciò che avviene su scala microscopica. Infatti, la teoria quantistica, nata all’inizio del XX secolo proprio per descrivere il comportamento delle particelle elementari costituenti la Natura, ha raggiunto oggi un grado di affidabilità strabiliante. Come qualsiasi teoria scientifica infatti, la Meccanica Quantistica è valida entro i confini in cui è stata verificata sperimentalmente, e lo Spazio è il palcoscenico principale in cui poter validare le predizioni della teoria quantistica a grandi scale, in un dominio completamente diverso da quello microscopico entro cui è stata ideata. I progressi tecnologici nel campo della fotonica, che permette la manipolazione e il controllo dei singoli quanti di luce, i fotoni, rendono oggi fattibili test fondamentali di Meccanica Quantistica nello Spazio, esperimenti in cui indagare, per esempio, se l’entanglement si mantiene anche a migliaia di chilometri o se il dualismo onda-corpuscolo si manifesta anche dopo un viaggio spaziale. Inoltre, lo Spazio offre di per sé accesso a regimi relativistici in cui le velocità e le distanze in gioco possono permettere di indagare il puzzle irrisolto della fisica moderna, l’unione di Meccanica Quantistica e gravitazione. Per queste ragioni, questa tesi è dedicata agli esperimenti di Ottica Quantistica nello Spazio in cui sono stato coinvolto durante il mio dottorato.