Nei metodi di rilevamento convenzionali, il rumore è sempre un problema, specialmente nei sistemi che hanno lo scopo di rilevare cambiamenti nel loro ambiente che sono appena più grandi o addirittura più piccoli del rumore nel sistema. Incontrando questo problema nei suoi esperimenti con fotoni interagenti, Il fisico di AMOLF Said Rodriguez ha pensato a un modo per aggirarlo. In un articolo che sarà pubblicato su Revisione fisica applicata , dimostra come il rumore possa essere trasformato in una risorsa per il rilevamento ottico piuttosto che in un problema.

"Utilizzare il rumore per migliorare i metodi di rilevamento è controintuitivo, " dice Said Rodriguez. "Immagina di cercare di vedere le lettere più grandi in un test della vista e di fallire. Quindi, immagina come un terremoto improvviso ti aiuta a vedere anche le lettere più piccole nel test. Scuotere le molecole d'aria tra lo schermo e gli occhi ti aiuta a leggere le minuscole lettere. Questo è simile a ciò che accade nel sensore ottico che propongo".

Piccoli cambiamenti nell'ambiente

Come molti ricercatori nel campo dell'ottica, Rodriguez lavora con sistemi risonanti in grado di rilevare piccoli cambiamenti nel loro ambiente. Un tipico sensore ottico si basa su una cavità, uno spazio vuoto con luce laser che risuona tra due specchi. La frequenza di risonanza dipende da ciò che accade all'interno e intorno alla cavità. "Per esempio, un gas che scorre attraverso la cavità cambia la frequenza di risonanza, ma così fa un cambiamento di temperatura o pressione, "Spiega Rodriguez. "Un tipico rivelatore misura questo cambiamento nella frequenza di risonanza come un cambiamento nell'intensità della luce che esce dalla cavità. Però, fluttuazioni di intensità, cioè., rumore, disturbare sempre la misurazione. Il modo più comune per ridurre l'effetto deleterio del rumore è fare la media del segnale su un lungo periodo di tempo. Questo limita la velocità di rilevamento, mentre nella stragrande maggioranza delle applicazioni c'è un grande valore nel rilevamento il più velocemente possibile. Inoltre, la velocità di rilevamento è sempre limitata dal rumore; anche se tutto il rumore classico (ad es. termico) viene soppresso, il rumore quantico rimane."

Abbracciare il rumore per un rilevamento più rapido

Mentre la maggior parte dei sensori ottici sono lineari - la luce che esce è una funzione lineare di ciò che è entrato - Rodriguez propone uno schema di rilevamento ottico basato sulla non linearità, il che significa che i fotoni possono interagire efficacemente tra loro all'interno del sensore. "All'interno della cavità ottica, aggiungiamo un materiale che influenza la luce di risonanza in modo non lineare. La luce che esce non è una funzione lineare di ciò che è entrato, ma è bistabile:per un dato ingresso, l'uscita ha due possibili valori, " dice. "A causa del rumore intrinseco nel sistema, l'uscita del sensore cambia casualmente tra questi due valori. Quando la frequenza di risonanza della cavità cambia (ad esempio perché una particella entra nella cavità) cambia anche questo schema di capovolgimento".

L'analisi delle statistiche del modello di capovolgimento rivela il cambiamento nella frequenza di risonanza. Poiché il rumore aumenta la velocità di capovolgimento tra i due valori, e una maggiore velocità di capovolgimento significa che è necessario meno tempo per acquisire statistiche sufficienti, questo significa che il rumore rende il sensore più veloce. Rodriguez:"Nei sensori convenzionali l'aumento del rumore aumenta il tempo necessario per rilevare qualcosa che entra nella cavità, ma in questo sensore il rilevamento è più veloce quando c'è più rumore. È davvero notevole".

Sensibilità ottimale per il rumore quantico

In definitiva, il rumore quantistico non può mai essere completamente evitato, quindi è utile realizzare sensori che abbracciano piuttosto che evitare il rumore. Rodriguez ha scoperto che la sensibilità di questo sensore che abbraccia il rumore dipende anche dal rumore. "Proprio come la velocità di rilevamento, la sensibilità aumenta con il rumore, ma non continuamente. Si scopre che questo sensore può funzionare in modo ottimale nel regime del rumore quantistico, " dice. "Questo lo rende un'alternativa interessante in regimi in cui i sensori convenzionali non possono funzionare molto bene".

Rodriguez ha calcolato il limite di velocità di rilevamento teorico dello schema di rilevamento non lineare proposto e lo ha confrontato con il limite di velocità di rilevamento teorico di un sensore lineare. Poiché lo schema non lineare funziona quasi quanto un metodo lineare, ha grandi aspettative. Ha in programma di approfondire teoricamente il sistema e alla fine sviluppare un sensore fisico che abbracci il rumore. "Metodi simili sono già in uso per gli impianti elettrici, ma fino ad oggi il rumore non è mai stato utilizzato come risorsa nel rilevamento ottico, " dice. "Mostrando come l'inevitabile rumore quantistico può essere abbracciato per il rilevamento, questi risultati possono spingere i limiti di ciò che è rilevabile dai sensori ottici all'avanguardia".