Prototipo di radar quantistico


Prototipo di radar quantistico

I fisici dell'Istituto di scienza e tecnologia Austria (IST Austria) hanno inventato un nuovo prototipo di radar che utilizza l'entanglement quantistico come metodo di rilevamento degli oggetti. Questa riuscita integrazione della meccanica quantistica nei nostri dispositivi quotidiani potrebbe avere un impatto significativo sulle industrie biomediche e di sicurezza.

L'entanglement quantistico è un fenomeno fisico in cui due particelle rimangono interconnesse, condividendo tratti fisici indipendentemente da quanto siano distanti tra loro. Ora, gli scienziati del gruppo di ricerca del professor Johannes Fink (1) all'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) insieme ai collaboratori Stefano Pirandola (2) del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e all'Università di York, Regno Unito, e David Vitali del Università di Camerino, Italia - hanno dimostrato un nuovo tipo di tecnologia di rilevamento chiamata “illuminazione quantistica a microonde” che utilizza i fotoni a microonde intrecciati come metodo di rilevamento. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science Advances. (3)

Il prototipo, noto anche come “radar quantistico”, è in grado di rilevare oggetti in ambienti termici rumorosi in cui i sistemi radar classici spesso falliscono. La tecnologia ha potenziali applicazioni per imaging biomedico a bassissima potenza e 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 le microonde convenzionali, i ricercatori intrappolano due gruppi di fotoni, chiamati fotoni “signal” e “idler”. I fotoni “signal” vengono inviati verso l'oggetto di interesse, mentre i fotoni “idler” vengono misurati in relativo isolamento, liberi da interferenze e rumore. Quando i fotoni “signal” vengono riflessi, si perde il vero intreccio tra il segnale e i fotoni “idler”, ma sopravvive una piccola quantità di correlazione, creando una firma o un modello che descrive l'esistenza o l'assenza dell'oggetto bersaglio, indipendentemente dal rumore all'interno l'ambiente.

«Ciò che abbiamo dimostrato è una prova del concetto per il microonde Quantum Radar», afferma l'autore principale e al momento del progetto di ricerca nel gruppo Fink Shabir Barzanjeh, la cui ricerca precedente ha contribuito a far avanzare l'idea teorica alla base della tecnologia radar potenziata quantistica. «Usando l'entanglement generato a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto (-273,14 °C), siamo riusciti a rilevare oggetti a bassa riflettività a temperatura ambiente.»

La tecnologia quantistica può superare i classici radar a bassa potenza

Mentre l'entanglement quantico 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 in quanto hanno difficoltà a distinguere la radiazione riflessa dall'oggetto dal rumore di radiazione di fondo presente in natura. L'illuminazione quantistica offre una soluzione a questo problema in quanto le somiglianze tra i fotoni “signal” e “idler” - generate dall'entanglement quantistico - rendono più efficace la distinzione dei fotoni del segnale (ricevuti dall'oggetto di interesse) dal rumore generato all'interno dell'ambiente.

Il dottor Fink Shabir Barzanjeh, (4) ora professore associato presso l'University of Calgary, sulle prestazioni del prototipo: «Il messaggio principale dietro la nostra ricerca consiste nel fatto che il “radar quantico “o” illuminazione quantistica a microonde” non è possibile solo in teoria ma anche nella pratica. Rivelatori classici a bassa potenza nelle stesse condizioni che già vediamo, con numeri di fotoni a segnale molto basso, provano che il rilevamento potenziato quantistico può essere superiore.»

Pietra miliare di spicco verso l'avanzamento della tecnologia radar di 80 anni

Nel corso della storia, la scienza di base si è rilevata uno dei driver chiave di innovazione, cambiamento di paradigma e innovazione tecnologica. Sebbene sia ancora una prova del concetto, la ricerca del gruppo ha dimostrato in modo efficace un nuovo metodo di rilevamento che, in alcuni casi, potrebbe già essere superiore al radar classico.

«Nel corso della storia, la prova di concetti, come quello che abbiamo dimostrato qui, si è spesso dimostrata una importante pietra miliare per i futuri progressi tecnologici. Sarà interessante vedere le implicazioni future di questa ricerca, in particolare per i sensori a microonde a corto raggio.» dice Barzanjeh.

L'ultimo autore e leader del gruppo, il professor Johannes Fink, aggiunge: «Questo risultato scientifico si è palesato grazie alla sinergia di fisici teorici e sperimentali che sono guidati dalla curiosità di come la meccanica quantistica può aiutare a spingere i limiti fondamentali del rilevamento. Tuttavia, per avvalorare un vantaggio pratico in certe situazioni, avremo anche bisogno dell'aiuto di ingegneri elettrici esperti. Tuttavia, resta ancora molto lavoro da fare per rendere il nostro risultato applicabile alle attività di rilevamento del mondo reale.»

Il professor Johannes Fink dirige un gruppo di ricerca presso l'IST Austria che si posiziona tra ottica quantistica e fisica della materia condensata mesoscopica. Il gruppo studia la fisica quantistica in dispositivi elettrici, meccanici e ottici basati su chip con l'obiettivo di far avanzare e integrare la tecnologia quantistica per simulazione, comunicazione, metrologia e rilevamento. Ulteriori informazioni sul gruppo sono disponibili qui.

Riferimenti:

(1) Johannes Fink

(2) Stefano Pirandola

(3) Microwave quantum illumination using a digital receiver

(4) Fink Shabir Barzanjeh

Descrizione foto: prototipo di radar quantistico. Fisici IST Austria - Shabir Barzanjeh (autore principale) e Johannes Fink (capogruppo e coautore). - Credit: © IST Austria/Philip Krantz / © IST Austria/Anna Stöcher.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: IST Austria scientists demonstrate quantum radar prototype

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