I fisici dell'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) hanno inventato un nuovo prototipo di radar che utilizza l'entanglement quantistico come metodo di rilevamento degli oggetti. Questa integrazione riuscita della meccanica quantistica nei dispositivi potrebbe avere un impatto significativo sulle industrie biomediche e della sicurezza. La ricerca è pubblicata sulla rivista Progressi scientifici .

L'entanglement quantistico è un fenomeno fisico per cui due particelle rimangono interconnesse, condividendo tratti fisici indipendentemente da quanto siano distanti l'uno dall'altro. Ora, scienziati del gruppo di ricerca del professor Johannes Fink presso l'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) insieme ai collaboratori Stefano Pirandola del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e dell'Università di York, UK, e David Vitali dell'Università di Camerino, L'Italia ha dimostrato un nuovo tipo di tecnologia di rilevamento chiamata illuminazione quantistica a microonde che utilizza fotoni a microonde entangled come metodo di rilevamento. Il prototipo, noto anche come radar quantistico, è in grado di rilevare oggetti in ambienti termici rumorosi dove i sistemi radar classici spesso falliscono. La tecnologia ha potenziali applicazioni per l'imaging biomedico a bassissima potenza e gli scanner di sicurezza.

Utilizzo dell'entanglement quantistico come nuova forma di rilevamento

I principi di funzionamento alla base del dispositivo sono semplici:invece di utilizzare microonde convenzionali, i ricercatori intrecciano due gruppi di fotoni, che sono chiamati fotoni di segnale e fotoni folli. I fotoni di segnale vengono inviati verso l'oggetto di interesse, mentre i fotoni pigri sono misurati in relativo isolamento, esente da interferenze e rumori. Quando i fotoni del segnale vengono riflessi indietro, si perde il vero entanglement tra il segnale e i fotoni pigri, ma una piccola quantità di correlazione sopravvive, creando una firma o uno schema che descriva l'esistenza o l'assenza dell'oggetto target, indipendentemente dal rumore all'interno dell'ambiente.

"Quello che abbiamo dimostrato è un proof of concept per il radar quantistico a microonde, ", afferma l'autore principale Shabir Barzanjeh, la cui ricerca precedente ha contribuito a far avanzare la nozione teorica alla base della tecnologia radar potenziata quantistica. "Utilizzando l'entanglement generato a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto (-273,14 °C), siamo stati in grado di rilevare oggetti a bassa riflettività a temperatura ambiente".

La tecnologia quantistica può superare i classici radar a bassa potenza

Mentre l'entanglement quantistico in sé è di natura fragile, il dispositivo presenta alcuni vantaggi rispetto ai radar classici convenzionali. Ad esempio, a bassi livelli di potenza, i sistemi radar convenzionali in genere soffrono di scarsa sensibilità poiché hanno difficoltà a distinguere la radiazione riflessa dall'oggetto dal rumore di radiazione di fondo naturale. L'illuminazione quantistica offre una soluzione a questo problema poiché le somiglianze tra il segnale e i fotoni inattivi, generati dall'entanglement quantistico, rendono più efficace la distinzione dei fotoni del segnale (ricevuti dall'oggetto di interesse) dal rumore generato all'interno dell'ambiente.

Barzanjeh, che ora è assistente professore all'Università di Calgary, dice, "Il messaggio principale alla base della nostra ricerca è che il radar quantistico o l'illuminazione a microonde quantistica non è possibile solo in teoria, ma anche in pratica. Se confrontato con i classici rilevatori a bassa potenza nelle stesse condizioni, vediamo che a numeri di fotoni a segnale molto basso, il rilevamento quantistico può essere superiore".

Attraverso la storia, la scienza di base è stato uno dei motori chiave dell'innovazione, cambiamento di paradigma e innovazione tecnologica. Pur essendo ancora una prova di concetto, la ricerca del gruppo ha efficacemente dimostrato un nuovo metodo di rilevamento che, in alcuni casi, può essere superiore al radar classico.

"Attraverso la storia, prove di concetto, come quello che abbiamo dimostrato qui, sono spesso servite come pietre miliari importanti verso i futuri progressi tecnologici. Sarà interessante vedere le future implicazioni di questa ricerca, in particolare per sensori a microonde a corto raggio, "dice Barzanjeh.

L'ultimo autore e leader del gruppo, il professor Johannes Fink, afferma:"Questo risultato scientifico è stato possibile solo riunendo fisici teorici e sperimentali guidati dalla curiosità di come la meccanica quantistica può aiutare a spingere i limiti fondamentali del rilevamento. Ma per mostrare un vantaggio in situazioni pratiche, avremo anche bisogno dell'aiuto di ingegneri elettrici esperti, e c'è ancora molto lavoro da fare per rendere il nostro risultato applicabile alle attività di rilevamento del mondo reale".