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Gli scienziati dell'esercito creano innovativi sensori quantistici

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Il sensore basato sull'atomo di Rydberg copre lo spettro RF da 0 a 100 GHz.

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Un sensore quantistico potrebbe dare ai soldati un modo per rilevare i segnali di comunicazione su tutto lo spettro delle radiofrequenze da 0 a 100 GHz, hanno detto i ricercatori dell'esercito.

Una copertura spettrale così ampia con una singola antenna è impossibile con un sistema di ricezione tradizionale, e richiederebbe sistemi multipli di singole antenne, amplificatori e altri componenti.

Nel 2018, gli scienziati dell'Esercito sono stati i primi al mondo a creare un ricevitore quantistico che utilizza atomi altamente eccitati e super sensibili, noti come atomi di Rydberg, per rilevare i segnali di comunicazione, ha detto David Meyer, uno scienziato del Laboratorio di ricerca dell'Esercito degli Stati Uniti del Comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'Esercito. I ricercatori hanno calcolato la capacità di canale del ricevitore, o velocità di trasmissione dei dati, sulla base di principi fondamentali, e poi hanno ottenuto queste prestazioni sperimentalmente nel loro laboratorio, migliorando i risultati di altri gruppi per ordini di grandezza, ha detto Meyer.

"Questi nuovi sensori possono essere molto piccoli e virtualmente non rilevabili, dando ai soldati un vantaggio dirompente", ha detto Meyer. "I sensori basati su Rydberg-atom sono stati presi in considerazione solo recentemente per applicazioni generali di rilevamento di campo elettrico, anche come ricevitore di comunicazioni. Mentre gli atomi di Rydberg sono noti per essere ampiamente sensibili, non è mai stata fatta una descrizione quantitativa della sensibilità su tutto il campo operativo"

Per valutare le potenziali applicazioni, gli scienziati dell'esercito hanno condotto un'analisi della sensibilità del sensore Rydberg ai campi elettrici oscillanti su un'enorme gamma di frequenze, da 0 a 1012 Hertz. I risultati mostrano che il sensore di Rydberg è in grado di rilevare in modo affidabile i segnali sull'intero spettro e di confrontarli favorevolmente con altre affermate tecnologie di sensori di campo elettrico, quali i cristalli elettro-ottici e l'elettronica passiva con antenna a dipolo accoppiata (vedi figura).

"La meccanica quantistica ci permette di conoscere la calibrazione dei sensori e le prestazioni finali ad un livello molto alto, ed è identica per ogni sensore", ha detto Meyer. "Questo risultato è un passo importante per determinare come questo sistema possa essere usato sul campo" Questo lavoro sostiene le priorità di modernizzazione dell'Esercito nelle reti di computer di prossima generazione e garantisce la posizione, la navigazione e la sincronizzazione, in quanto potrebbe potenzialmente influenzare nuovi concetti di comunicazione o approcci al rilevamento di segnali RF per la geolocalizzazione.

In futuro, gli scienziati dell'esercito studieranno metodi per continuare a migliorare la sensibilità per rilevare segnali ancora più deboli ed espandere i protocolli di rilevamento per forme d'onda più complicate.

Il Journal of Physics B ha pubblicato la ricerca "Assessment of Rydberg atoms for wideband electric field sensing" nel suo numero speciale sugli atomi Rydberg interagenti. Gli scienziati dell'esercito David H. Meyer, Kevin C. Cox e Paul D. Kunz hanno condotto questa ricerca, insieme a Zachary A. Castillo dell'Università del Maryland. Questo lavoro è stato sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

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