GPS do seu telefone, o Wi-Fi em sua casa e as comunicações em aeronaves são todas alimentadas por radiofrequência, ou RF, ondas, que transportam informações de um transmissor em um ponto para um sensor em outro. Os sensores interpretam essas informações de maneiras diferentes. Por exemplo, um sensor GPS determina sua localização usando o tempo que leva para receber um sinal de um satélite. Para aplicações como localização interna e contra-sinais de GPS falsificados, um sensor sem fio mede o ângulo em que recebe uma onda de RF. Quanto mais precisamente o sensor puder medir esse atraso de tempo ou ângulo de chegada, mais ele pode determinar com precisão a localização ou aumentar a segurança.

Em um novo artigo publicado em Cartas de revisão física , Pesquisadores de engenharia e ciências ópticas da Universidade do Arizona, em colaboração com engenheiros da General Dynamics Mission Systems, demonstrar como uma combinação de duas técnicas - detecção fotônica de radiofrequência e metrologia quântica - pode dar às redes de sensores um nível de precisão nunca antes visto. O trabalho envolve a transferência de informações de elétrons para fótons, em seguida, usando o emaranhamento quântico para aumentar as capacidades de detecção dos fótons.

"Este paradigma de sensoriamento quântico pode criar oportunidades para melhorar os sistemas GPS, laboratórios de astronomia e recursos de imagem biomédica, "disse Zheshen Zhang, professor assistente de ciência dos materiais e engenharia e ciências ópticas, e pesquisador principal do Grupo de Materiais e Informações Quânticas da universidade. "Pode ser usado para melhorar o desempenho de qualquer aplicativo que requeira uma rede de sensores."

De elétrons a fótons

Sensores de antena tradicionais transformam informações de sinais de RF em uma corrente elétrica composta de elétrons em movimento. Contudo, sensoriamento óptico, que usa fótons, ou unidades de luz, para transportar informações, é muito mais eficiente. Não apenas os fótons podem conter mais dados do que os elétrons, dando ao sinal uma largura de banda maior, mas a detecção baseada em fotônica pode transmitir esse sinal muito mais longe do que a detecção baseada em eletrônica, e com menos interferência.

Como os sinais ópticos oferecem tantas vantagens, os pesquisadores usaram um transdutor eletro-óptico para converter ondas de RF em domínio óptico em um método chamado detecção fotônica de RF.

"Projetamos uma ponte entre um sistema óptico e uma quantidade física em um domínio completamente diferente, "Zhang explicou." Demonstramos que, com um domínio de RF neste experimento, mas a ideia também pode ser aplicada a outros cenários. Por exemplo, se você quiser medir a temperatura usando fótons, você poderia usar um transdutor termo-óptico para converter a temperatura em uma propriedade óptica. "

Sensores emaranhados

Depois de converter as informações para o domínio óptico, os pesquisadores aplicaram uma técnica chamada metrologia quântica. Usualmente, a precisão de um sensor é limitada por algo chamado limite quântico padrão. Por exemplo, Os sistemas GPS de smartphones geralmente são precisos em um raio de 5 metros. A metrologia quântica usa partículas emaranhadas para ultrapassar o limite quântico padrão e fazer medições ultrassensíveis.

Como funciona? Partículas emaranhadas são amarradas, de modo que tudo o que acontece com uma partícula afeta as partículas com as quais ela está emaranhada também, contanto que as medidas apropriadas sejam tomadas.

Imagine um supervisor e um funcionário trabalhando juntos em um projeto. Porque leva tempo para o funcionário compartilhar informações com seu supervisor por meio de métodos como e-mails e reuniões, a eficiência de sua parceria é limitada. Mas se os dois pudessem enredar seus cérebros, o funcionário e o supervisor teriam automaticamente as mesmas informações - economizando tempo e permitindo que eles resolvessem um problema comum com mais eficiência.

A metrologia quântica tem sido usada para melhorar a precisão do sensor em lugares como o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO, que abriu uma nova janela para os astrônomos. Contudo, quase todas as demonstrações anteriores de metrologia quântica, incluindo LIGO, envolvem apenas um único sensor.

Conectando Redes de Sensores

As ondas de RF geralmente são recebidas por uma rede de sensores, cada um dos quais processa informações individualmente - mais como um grupo de funcionários independentes trabalhando com seus supervisores. Quntao Zhuang, professor assistente de engenharia elétrica e da computação, demonstramos anteriormente uma estrutura teórica para impulsionar o desempenho combinando sensores emaranhados.

Este novo experimento demonstrou pela primeira vez que uma rede de três sensores pode ser emaranhada entre si, o que significa que todos recebem as informações das sondas e as correlacionam umas com as outras simultaneamente. É mais como se um grupo de funcionários pudesse compartilhar informações instantaneamente com seus chefes, e os chefes podem compartilhar instantaneamente essas informações uns com os outros, tornando seu fluxo de trabalho ultraeficiente.

"Tipicamente, em um sistema complexo, por exemplo, uma rede de comunicação sem fio ou até mesmo nossos celulares - não há apenas um único sensor, mas um conjunto de sensores que trabalham juntos para realizar uma tarefa, "Zhang disse." Nós desenvolvemos uma tecnologia para enredar esses sensores, em vez de fazê-los operar individualmente. Eles podem usar seu emaranhamento para "falar" uns com os outros durante o período de detecção, o que pode melhorar significativamente o desempenho de detecção. "

Embora o experimento tenha usado apenas três sensores, abre a porta para a possibilidade de aplicação da técnica a redes de centenas de sensores.

"Imagine, por exemplo, uma rede de detecção biológica:você pode emaranhar esses biossensores para que trabalhem juntos para identificar as espécies de uma molécula biológica, ou para detectar atividades neurais com mais precisão do que uma matriz de sensores clássica, "Zhang disse." Sério, essa técnica pode ser aplicada a qualquer aplicativo que requeira uma matriz ou rede de sensores. "

Uma aplicação potencial está na rede de fótons emaranhados que está sendo construída no campus da Universidade do Arizona. Em teoria, trabalho publicado em Revisão Física X em 2019, Zhuang apresentou como as técnicas de aprendizado de máquina podem treinar sensores em uma rede de sensores emaranhados em grande escala como esta para fazer medições ultraprecisas.

"O emaranhamento permite que os sensores extraiam com mais precisão os recursos dos parâmetros detectados, permitindo melhor desempenho em tarefas de aprendizado de máquina, como classificação de dados de sensor e análise de componente principal, "Zhuang disse." Nosso trabalho anterior fornece um projeto teórico de um sistema de aprendizado de máquina aprimorado por emaranhamento que supera os sistemas clássicos. "