Il primo radar quantistico al mondo

Un dispositivo radar che si basa su fotoni entangled, vale a dire inestricabilmente legati tra loro, funziona a una potenza così bassa da celarsi dietro il rumore di fondo, rendendolo utile per applicazioni biomediche e di sicurezza.

di ArXiv

Uno dei vantaggi della rivoluzione quantistica è la capacità di percepire il mondo in un modo nuovo. L’idea generale è quella di utilizzare le proprietà speciali della meccanica quantistica per effettuare misurazioni o produrre immagini altrimenti impossibili.

Gran parte di questo lavoro viene svolto con i fotoni. Ma per quanto riguarda lo spettro elettromagnetico, la rivoluzione quantistica ha agito in modo unilaterale. Quasi tutti i progressi nell’informatica quantistica, nella crittografia, nel teletrasporto e così via hanno coinvolto luce visibile o quasi visibile.

La situazione sta cambiando grazie al lavoro di Shabir Barzanjeh dell’Institute of Science and Technology, a Klosterneuburg, a 20 km da Vienna.

Il suo team ha utilizzato microonde aggrovigliate per creare il primo radar quantistico al mondo. Il loro dispositivo, che può rilevare oggetti a distanza usando solo pochi fotoni, rende più attuale la prospettiva di sistemi radar invisibili che emettono poca radiazione elettromagnetica rilevabile.

In realtà, il dispositivo è semplice. I ricercatori hanno creato coppie di fotoni entangled a microonde usando un dispositivo superconduttore chiamato convertitore parametrico Josephson.

Loro trasmettono il primo fotone, chiamato fotone di segnale, verso l’oggetto di interesse e ascoltano il riflesso.

Nel frattempo, tengono in memoria il secondo fotone, chiamato fotone statico. Quando arriva il riflesso, interferisce con questo fotone statico, creando una firma che rivela la distanza percorsa dal primo fotone. In poche parole, il radar quantistico!

Questa tecnica presenta alcuni importanti vantaggi rispetto al radar convenzionale. Il radar ordinario si comporta in modo simile, ma non funziona a bassi livelli di potenza e coinvolge un numero limitato di fotoni a microonde. Questo perché gli oggetti caldi nell’ambiente emettono a loro volta microonde.

In un ambiente a temperatura normale si parla di un background costante di circa 1.000 fotoni a microonde, che si sovrappongono all’eco di ritorno. Per questa ragione i sistemi radar utilizzano trasmettitori potenti.

I fotoni aggrovigliati risolvono questo problema. I fotoni di segnale e statico sono così simili che è facile filtrare gli effetti di altri fotoni. Quindi diventa semplice rilevare il fotone di segnale al suo rientro.

Naturalmente, l’entanglement è una proprietà fragile del mondo quantistico e il processo di riflessione lo distrugge. Tuttavia, la correlazione tra il fotone di segnale e quello statico è ancora abbastanza forte da distinguerli dal rumore di fondo.

Ciò consente a Barzanjeh e colleghi di rilevare un oggetto in una stanza a temperatura ambiente con una manciata di fotoni, in un modo che è impossibile fare con i normali fotoni.

“Generiamo campi aggrovigliati utilizzando un convertitore parametrico Josephson a temperature nell’ordine dei millikelvin per illuminare un oggetto a temperatura ambiente a una distanza di 1 metro in una prova della configurazione del radar principale”, spiega Barzanjeh.

I ricercatori continuano a confrontare i loro radar quantistici con i sistemi convenzionali che operano con un numero altrettanto basso di fotoni e affermano che le loro prestazioni sono decisamente superiori, anche se solo su distanze relativamente brevi.

Questo ricerca rivela il grande potenziale del radar quantistico e una prima applicazione dell’entanglement basato su microonde. Ma, più in generale, mostra anche i possibili sviluppi dell’illuminazione quantistica.

Un grande vantaggio sono i bassi livelli di radiazione elettromagnetica richiesti. “Il nostro esperimento”, afferma Barzianjeh, “ne mostra le potenzialità come metodo di scansione non invasivo per applicazioni biomediche, per esempio per l’imaging dei tessuti umani o la spettroscopia rotazionale non distruttiva delle proteine”.

Infine, c’è l’ovvia applicazione come radar invisibile vista la difficoltà di rilevarne il rumore di fondo. I ricercatori sostengono anche che potrebbe essere utile come radar a bassa potenza a corto raggio per applicazioni di sicurezza in ambienti chiusi e popolati.

Immagine: Radar quantistico Ms. Tech

ArXiv

(rp)

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