Sensori di navigazione a nuovi livelli con l’entanglement quantistico

Un recente studio ha rivelato che l'entanglement quantistico migliora significativamente la precisione dei sensori che possono essere utilizzati per navigare senza GPS

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L'entanglement quantistico porta i sensori di navigazione a nuovi livelli
L'entanglement quantistico porta i sensori di navigazione a nuovi livelli

Il misterioso fenomeno definito “azione spettrale a distanza” che, un tempo, turbava Einstein, potrebbe presto diventare comune come i giroscopi usati per misurare l’accelerazione negli smartphone.

Un recente studio ha rivelato che l’entanglement quantistico migliora significativamente la precisione dei sensori che possono essere utilizzati per navigare senza GPS.

“Sfruttando l’entanglement, miglioriamo sia la sensibilità della misurazione sia la velocità con cui possiamo effettuare la misurazione”, ha dichiarato Zheshen Zhang, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università del Michigan e co-autore corrispondente dello studio. Gli esperimenti sono stati condotti presso l’Università dell’Arizona, dove all’epoca lavorava Zhang.

I sensori optomeccanici misurano le forze che disturbano un dispositivo di rilevamento meccanico che si muove in risposta. Quel movimento viene quindi misurato con onde luminose. In questo esperimento, i sensori erano membrane, che agiscono come pelli di tamburo che vibrano dopo aver subito una spinta. I sensori optomeccanici possono funzionare come accelerometri, e potrebbero essere utilizzati per la navigazione inerziale su un pianeta che non ha satelliti GPS o all’interno di un edificio mentre una persona naviga su diversi piani.

L’entanglement quantistico potrebbe rendere i sensori optomeccanici più precisi dei sensori inerziali attualmente in uso. Potrebbe anche consentire ai sensori optomeccanici di cercare forze molto sottili, come identificare la presenza di materia oscura. La materia oscura è materia invisibile che si ritiene rappresenti cinque volte più della massa nell’universo di quella che possiamo percepire con la luce e attirerebbe il sensore con la forza gravitazionale.

Come l’entanglement migliora i sensori optomeccanici

I sensori optomeccanici si basano su due raggi laser sincronizzati. Uno di questi viene riflesso da un sensore e qualsiasi movimento nel sensore modifica la distanza che la luce percorre nel suo percorso verso il rilevatore. Quella differenza nella distanza percorsa si manifesta quando la seconda ondata si sovrappone alla prima. Se il sensore è fermo, le due onde sono perfettamente allineate. Ma se il sensore è in movimento, creano uno schema di interferenza poiché i picchi e le depressioni delle loro onde si annullano a vicenda in alcuni punti. Questo modello rivela la dimensione e la velocità delle vibrazioni nel sensore.



Di solito nei sistemi di interferometria, più la luce viaggia, più accurato diventa il sistema. Il sistema di interferometria più sensibile del pianeta, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, invia luce su viaggi di 8 chilometri.

Ma non si adatta a uno smartphone.

Per consentire un’elevata precisione nei sensori optomeccanici miniaturizzati, il team di Zhang ha esplorato l’entanglement quantistico. Invece di dividere la luce una volta in modo che rimbalzasse su un sensore e uno specchio, hanno diviso ogni raggio una seconda volta in modo che la luce rimbalzasse su due sensori e due specchi. Dalziel Wilson, assistente professore di scienze ottiche presso l’Università dell’Arizona, insieme ai suoi studenti di dottorato Aman Agrawal e Christian Pluchar, hanno costruito i dispositivi a membrana. Queste membrane, spesse solo 100 nanometri, o 0,0001 millimetri, si muovono in risposta a forze molto piccole.

Raddoppiare i sensori migliora la precisione, poiché le membrane dovrebbero vibrare in sincronia tra loro, ma l’entanglement aggiunge un ulteriore livello di coordinazione. Il gruppo di Zhang ha creato l’entanglement “spremendo” la luce laser. Negli oggetti della meccanica quantistica, come i fotoni che compongono la luce, c’è un limite fondamentale al modo in cui è possibile conoscere la posizione e la quantità di moto di una particella. Poiché anche i fotoni sono onde, questo si traduce nella fase dell’onda (dove si trova nella sua oscillazione) e nella sua ampiezza (quanta energia trasporta).

“La compressione ridistribuisce l’incertezza, così che la componente schiacciata sia nota in modo più preciso e la componente anti-schiacciata porti più incertezza. Abbiamo ridotto la fase perché era quello che dovevamo appurare per la nostra misurazione “, ha affermato Yi Xia, un recente dottorato di ricerca laureato presso il laboratorio di Zhang nell’Università dell’Arizona e co-autore corrispondente dell’articolo.

Nella luce schiacciata, i fotoni sono correlati strettamente l’uno all’altro. Zhang ha messo a confronto ciò che accade quando i fotoni passano attraverso un divisore di raggio con le auto che arrivano a un bivio in autostrada.

Poiché le fluttuazioni nei due fasci aggrovigliati sono collegate, le incertezze nelle loro misurazioni di fase sono correlate. Di conseguenza, con alcune magie matematiche, il team è stato in grado di ottenere misurazioni più precise del 40% rispetto a due raggi non intrecciati, e possono farlo il 60% più velocemente. Inoltre, la precisione e la velocità dovrebbero aumentare in proporzione al numero di sensori.

“Si prevede che una serie di sensori potenziati dall’entanglement offrirà un aumento delle prestazioni di ordini di grandezza rispetto alla tecnologia esistente per consentire il rilevamento di particelle oltre l’attuale modello fisico, aprendo la porta a un nuovo mondo che deve ancora essere osservato”, ha concluso Zhang.

I prossimi passi del team sono la miniaturizzazione del sistema. Possono già mettere una sorgente di luce schiacciata su un chip di appena mezzo centimetro di lato. I ricercatori si aspettano di avere un prototipo di chip con la sorgente di luce schiacciata, divisori di fascio, guide d’onda e sensori inerziali entro un anno o due.

Fonte: Nature Photonics

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