Il GPS del tuo telefono, il Wi-Fi in casa e le comunicazioni sugli aerei sono tutte alimentate a radiofrequenza, o RF, onde, che trasportano informazioni da un trasmettitore in un punto a un sensore in un altro. I sensori interpretano queste informazioni in modi diversi. Per esempio, un sensore GPS determina la sua posizione utilizzando il tempo necessario per ricevere un segnale da un satellite. Per applicazioni come la localizzazione interna e l'eliminazione dei segnali GPS di spoofing, un sensore wireless misura l'angolo con cui riceve un'onda RF. Più precisamente il sensore può misurare questo ritardo o angolo di arrivo, più può determinare con precisione la posizione o migliorare la sicurezza.

In un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , Ricercatori di ingegneria e scienze ottiche dell'Università dell'Arizona, in collaborazione con gli ingegneri di General Dynamics Mission Systems, dimostrare come una combinazione di due tecniche, il rilevamento della fotonica a radiofrequenza e la metrologia quantistica, può fornire alle reti di sensori un livello di precisione mai visto prima. Il lavoro prevede il trasferimento di informazioni dagli elettroni ai fotoni, quindi utilizzando l'entanglement quantistico per aumentare le capacità di rilevamento dei fotoni.

"Questo paradigma di rilevamento quantistico potrebbe creare opportunità per migliorare i sistemi GPS, laboratori di astronomia e capacità di imaging biomedico, " disse Zheshen Zhang, assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria e scienze ottiche, e ricercatore principale del Quantum Information and Materials Group dell'università. "Potrebbe essere utilizzato per migliorare le prestazioni di qualsiasi applicazione che richieda una rete di sensori".

Dagli elettroni ai fotoni

I tradizionali sensori ad antenna trasformano le informazioni dai segnali RF in una corrente elettrica composta da elettroni in movimento. Però, rilevamento ottico, che utilizza fotoni, o unità di luce, trasportare informazioni, è molto più efficiente. Non solo i fotoni possono contenere più dati degli elettroni, dando al segnale una larghezza di banda maggiore, ma il rilevamento basato sulla fotonica può trasmettere quel segnale molto più lontano del rilevamento basato sull'elettronica, e con meno interferenze.

Poiché i segnali ottici offrono tanti vantaggi, i ricercatori hanno utilizzato un trasduttore elettro-ottico per convertire le onde RF nel dominio ottico in un metodo chiamato rilevamento della fotonica RF.

"Abbiamo progettato un ponte tra un sistema ottico e una grandezza fisica in un dominio completamente diverso, " ha spiegato Zhang. "Abbiamo dimostrato che con un dominio RF in questo esperimento, ma l'idea potrebbe essere applicata anche ad altri scenari. Per esempio, se vuoi misurare la temperatura usando i fotoni, potresti usare un trasduttore termo-ottico per convertire la temperatura in una proprietà ottica."

Sensori impigliati

Dopo aver convertito le informazioni nel dominio ottico, i ricercatori hanno applicato una tecnica chiamata metrologia quantistica. Generalmente, la precisione di un sensore è limitata da qualcosa chiamato limite quantistico standard. Per esempio, i sistemi GPS per smartphone sono generalmente precisi entro un raggio di 16 piedi. La metrologia quantistica utilizza particelle entangled per superare il limite quantistico standard ed eseguire misurazioni ultrasensibili.

Come funziona? Le particelle entangled sono legate insieme, quindi tutto ciò che accade a una particella influisce anche sulle particelle con cui è entangled, purché vengano prese le misure appropriate.

Immagina un supervisore e un dipendente che lavorano insieme su un progetto. Perché ci vuole tempo perché il dipendente condivida le informazioni con il suo supervisore attraverso metodi come e-mail e riunioni, l'efficienza della loro collaborazione è limitata. Ma se i due potessero intrecciare i loro cervelli insieme, il dipendente e il supervisore avrebbero automaticamente le stesse informazioni, risparmiando tempo e consentendo loro di affrontare insieme un problema comune in modo più efficiente.

La metrologia quantistica è stata utilizzata per migliorare la precisione del sensore in luoghi come l'Osservatorio sull'onda gravitazionale dell'interferometro laser, o LIGO, che ha aperto una nuova finestra per gli astronomi. Però, quasi tutte le precedenti dimostrazioni di metrologia quantistica, compreso LIGO, coinvolgere un solo sensore.

Collegamento di reti di sensori

Le onde RF sono generalmente ricevute da una rete di sensori, ognuno dei quali elabora le informazioni individualmente, più come un gruppo di dipendenti indipendenti che lavorano con i loro supervisori. Quntao Zhuang, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, precedentemente dimostrato un quadro teorico per aumentare le prestazioni unendo sensori entangled.

Questo nuovo esperimento ha dimostrato per la prima volta che una rete di tre sensori può essere intrecciata tra loro, il che significa che tutti ricevono le informazioni dalle sonde e le mettono in relazione tra loro contemporaneamente. È più come se un gruppo di dipendenti potesse condividere istantaneamente informazioni con i propri capi, e i capi potrebbero condividere istantaneamente queste informazioni tra loro, rendendo il loro flusso di lavoro ultra efficiente.

"Tipicamente, in un sistema complesso, ad esempio una rete di comunicazione wireless o persino i nostri telefoni cellulari:non c'è solo un singolo sensore, ma un insieme di sensori che lavorano insieme per svolgere un compito, " ha detto Zhang. "Abbiamo sviluppato una tecnologia per impigliare questi sensori, piuttosto che farli funzionare individualmente. Possono usare il loro entanglement per "parlare" tra loro durante il periodo di rilevamento, che può migliorare significativamente le prestazioni di rilevamento."

Mentre l'esperimento ha utilizzato solo tre sensori, apre le porte alla possibilità di applicare la tecnica a reti di centinaia di sensori.

"Immaginare, Per esempio, una rete per il rilevamento biologico:puoi intrecciare questi biosensori in modo che lavorino insieme per identificare le specie di una molecola biologica, o per rilevare le attività neurali in modo più preciso rispetto a un classico array di sensori, " disse Zhang. "Davvero, questa tecnica potrebbe essere applicata a qualsiasi applicazione che richieda un array o una rete di sensori".

Una potenziale applicazione è nella rete di fotoni entangled in costruzione nel campus dell'Università dell'Arizona. In teoria lavoro pubblicato su Revisione fisica X nel 2019, Zhuang ha presentato come le tecniche di apprendimento automatico possono addestrare i sensori in una rete di sensori entangled su larga scala come questa per effettuare misurazioni ultra precise.

"L'entanglement consente ai sensori di estrarre con maggiore precisione le caratteristiche dai parametri rilevati, consentendo migliori prestazioni nelle attività di apprendimento automatico come la classificazione dei dati dei sensori e l'analisi dei componenti principali, " Zhuang ha detto. "Il nostro lavoro precedente fornisce una progettazione teorica di un sistema di apprendimento automatico potenziato dall'entanglement che supera i sistemi classici".