El GPS de tu teléfono, el Wi-Fi en su casa y las comunicaciones en los aviones funcionan con radiofrecuencia, o RF, ondas, que llevan información de un transmisor en un punto a un sensor en otro. Los sensores interpretan esta información de diferentes formas. Por ejemplo, un sensor GPS determina su ubicación utilizando la cantidad de tiempo que tarda en recibir una señal de un satélite. Para aplicaciones como la localización interna y la eliminación de señales GPS falsas, un sensor inalámbrico mide el ángulo en el que recibe una onda de RF. Cuanto más precisamente el sensor pueda medir este retraso de tiempo o ángulo de llegada, cuanto más pueda determinar con precisión la ubicación o mejorar la seguridad.

En un nuevo artículo publicado en Cartas de revisión física , Investigadores de ingeniería y ciencias ópticas de la Universidad de Arizona, en colaboración con ingenieros de General Dynamics Mission Systems, demostrar cómo una combinación de dos técnicas —detección fotónica de radiofrecuencia y metrología cuántica— puede dar a las redes de sensores un nivel de precisión nunca antes visto. El trabajo consiste en transferir información de electrones a fotones, luego, utilizando el entrelazamiento cuántico para aumentar las capacidades de detección de los fotones.

"Este paradigma de detección cuántica podría crear oportunidades para mejorar los sistemas GPS, laboratorios de astronomía y capacidades de imágenes biomédicas, "dijo Zheshen Zhang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y ciencias ópticas, e investigador principal del Grupo de Materiales e Información Cuántica de la universidad. "Podría usarse para mejorar el rendimiento de cualquier aplicación que requiera una red de sensores".

De electrones a fotones

Los sensores de antena tradicionales transforman la información de señales de RF en una corriente eléctrica formada por electrones en movimiento. Sin embargo, detección óptica, que usa fotones, o unidades de luz, para llevar información, es mucho más eficiente. Los fotones no solo pueden contener más datos que los electrones, dando a la señal un mayor ancho de banda, pero la detección basada en fotónica puede transmitir esa señal mucho más lejos que la detección basada en electrónica, y con menos interferencias.

Debido a que las señales ópticas ofrecen tantas ventajas, los investigadores utilizaron un transductor electroóptico para convertir ondas de RF en el dominio óptico en un método llamado detección de fotónica de RF.

"Diseñamos un puente entre un sistema óptico y una cantidad física en un dominio completamente diferente, ", Explicó Zhang." Demostramos que con un dominio de RF en este experimento, pero la idea también podría aplicarse a otros escenarios. Por ejemplo, si quieres medir la temperatura usando fotones, podría utilizar un transductor termoóptico para convertir la temperatura en una propiedad óptica ".

Sensores enredados

Después de convertir la información al dominio óptico, los investigadores aplicaron una técnica llamada metrología cuántica. Generalmente, La precisión de un sensor está limitada por algo llamado límite cuántico estándar. Por ejemplo, Los sistemas GPS de teléfonos inteligentes suelen ser precisos en un radio de 16 pies. La metrología cuántica utiliza partículas entrelazadas para superar el límite cuántico estándar y tomar medidas ultrasensibles.

¿Como funciona? Las partículas enredadas están unidas entre sí, por lo que cualquier cosa que le suceda a una partícula afecta también a las partículas con las que está enredada. siempre que se tomen las medidas adecuadas.

Imagine a un supervisor y un empleado trabajando juntos en un proyecto. Debido a que el empleado necesita tiempo para compartir información con su supervisor a través de métodos como correos electrónicos y reuniones, la eficiencia de su asociación es limitada. Pero si los dos pudieran enredar sus cerebros juntos, el empleado y el supervisor tendrían automáticamente la misma información, lo que ahorraría tiempo y les permitiría abordar conjuntamente un problema común de manera más eficiente.

La metrología cuántica se ha utilizado para mejorar la precisión del sensor en lugares como el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser, o LIGO, que ha abierto una nueva ventana para los astrónomos. Sin embargo, casi todas las demostraciones previas de metrología cuántica, incluyendo LIGO, solo involucran un solo sensor.

Conexión de redes de sensores

Las ondas de RF generalmente son recibidas por una red de sensores, cada uno de los cuales procesa la información individualmente, más como un grupo de empleados independientes que trabajan con sus supervisores. Quntao Zhuang, un profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática, demostró previamente un marco teórico para impulsar el rendimiento mediante la combinación de sensores entrelazados.

Este nuevo experimento demostró por primera vez que una red de tres sensores se puede enredar entre sí, lo que significa que todos reciben la información de las sondas y la correlacionan entre sí simultáneamente. Es más como si un grupo de empleados pudiera compartir información al instante con sus jefes, y los jefes podrían compartir instantáneamente esa información entre ellos, haciendo que su flujo de trabajo sea ultraeficiente.

"Típicamente, en un sistema complejo, por ejemplo, una red de comunicaciones inalámbricas o incluso nuestros teléfonos móviles; no hay un solo sensor, sino un conjunto de sensores que trabajan juntos para realizar una tarea, ", Dijo Zhang." Hemos desarrollado una tecnología para enredar estos sensores, en lugar de hacer que funcionen individualmente. Pueden usar su enredo para 'hablar' entre ellos durante el período de detección, lo que puede mejorar significativamente el rendimiento de la detección ".

Si bien el experimento solo usó tres sensores, abre la puerta a la posibilidad de aplicar la técnica a redes de cientos de sensores.

"Imagina, por ejemplo, una red para la detección biológica:puede entrelazar estos biosensores para que trabajen juntos para identificar las especies de una molécula biológica, o para detectar actividades neuronales con mayor precisión que una matriz de sensores clásica, "Dijo Zhang." De verdad, esta técnica podría aplicarse a cualquier aplicación que requiera una matriz o red de sensores ".

Una aplicación potencial está en la red de fotones entrelazados que se está construyendo en el campus de la Universidad de Arizona. En teoría el trabajo publicado en Revisión física X en 2019, Zhuang presentó cómo las técnicas de aprendizaje automático pueden entrenar sensores en una red de sensores entrelazados a gran escala como esta para tomar medidas ultra precisas.

"El entrelazamiento permite que los sensores extraigan con mayor precisión características de los parámetros que se detectan, lo que permite un mejor rendimiento en tareas de aprendizaje automático, como la clasificación de datos de sensores y el análisis de componentes principales, ", Dijo Zhuang." Nuestro trabajo anterior proporciona un diseño teórico de un sistema de aprendizaje automático mejorado por entrelazamiento que supera a los sistemas clásicos ".