Addio al GPS? Bussole quantistiche, sempre più vicine a entrare a far parte della nostra vita quotidiana
La comunicazione satellitare ha rappresentato un grande progresso ma non è sempre così affidabile. Ecco perché un team di scienziati ha compiuto un passo cruciale nello sviluppo della navigazione basata sulla fisica quantistica.
I ricercatori hanno compiuto un passo cruciale verso la creazione di una “bussola quantistica” portatile che un giorno potrebbe aiutarci a navigare senza il sistema di posizionamento globale (GPS). Questi scienziati sono riusciti a miniaturizzare un sistema laser delle dimensioni di un frigorifero per applicare una tecnica di rilevamento chiamata interferometria atomica.
Il sistema ora si inserisce in un microchip di silicio, ha riferito il team sulla rivista Science Advances. "Penso che sia davvero emozionante", ha detto in una nota Ashok Kodigala, autore principale dello studio e scienziato specializzato nella fotonica del silicio presso il Sandia National Laboratory di Albuquerque. “Stiamo facendo grandi progressi nella miniaturizzazione per molte applicazioni diverse”.
Il preciso sensore di movimento potrebbe ridurre al minimo la dipendenza dai satelliti di posizionamento globale. Questo perché la comunicazione satellitare ha rappresentato un grande progresso, ma non è sempre così affidabile: le radiazioni del Sole e altri impatti della meteorologia spaziale possono limitarne l’efficacia e la disponibilità.
Rivoluzione tecnologica basata sulla riduzione delle dimensioni
Come la luce, gli elettroni a volte si comportano come onde. L'interferometria atomica sfrutta questa proprietà per misurare con precisione l'accelerazione, la rotazione e la velocità angolare. Queste variabili potrebbero aiutare gli utenti della bussola quantistica a misurare e tracciare la propria posizione senza utilizzare il GPS, che si basa sulla trasmissione continua di segnali tra dispositivi e satelliti.
A differenza di un laser, che emette un raggio di luce, un interferometro atomico emette un raggio di atomi superfreddi e utilizza la luce invece degli specchi per manipolarlo. L'interferometro misura la differenza di fase (cioè se i picchi e gli avvallamenti delle onde si allineano tra loro) tra atomi su traiettorie diverse.
Qualsiasi cambiamento di energia nei due percorsi, come quando un atomo riceve energia da un'interazione con la luce, farà sì che gli atomi si muovano dentro e fuori fase.
Gli scienziati possono usarlo per misurare la velocità di accelerazione degli atomi. Normalmente, i sei interferometri atomici necessari per realizzare una bussola quantistica entrerebbero all’interno di una piccola casa.
Ma gli scienziati hanno ridimensionato parte del sistema sfruttando i circuiti integrati fotonici – una tecnologia laser in miniatura esistente – per costruire minuscoli modulatori in grado di regolare la frequenza del raggio per diverse funzioni.
Dispositivo in silicio prodotto in serie e più conveniente
Oltre alle dimensioni, il costo è stato uno dei principali ostacoli all’implementazione dei dispositivi di navigazione quantistica. Ogni interferometro atomico necessita di un sistema laser e i sistemi laser necessitano di modulatori. "Un singolo modulatore a banda laterale singola di dimensioni standard disponibile in commercio costa più di 10.000 dollari", ha affermato lo scienziato di Sandia Jongmin Lee.
La miniaturizzazione di componenti ingombranti e costosi sui chip fotonici di silicio aiuta a ridurre questi costi.
Navigazione senza GPS, una questione di sicurezza
Lee ha anche sottolineato la questione della sicurezza: "Una navigazione accurata diventa una sfida nel mondo reale quando i segnali GPS non sono disponibili", ha affermato. In una zona di guerra, queste difficoltà mettono a rischio la sicurezza nazionale, poiché le unità di guerra elettronica possono disturbare o falsificare i segnali satellitari per interrompere i movimenti e le operazioni delle truppe.
Il rilevamento quantistico offre una soluzione a questo. "Sfruttando i principi della meccanica quantistica, questi sensori avanzati forniscono una precisione senza precedenti nella misurazione dell'accelerazione e della velocità angolare, consentendo una navigazione accurata anche in aree prive di GPS", ha affermato Lee.
Riferimento alla notizia:
Ashok Kodigala et al., High-performance silicon photonic single-sideband modulators for cold-atom interferometry. Sci. Adv.10, eade4454 (2024). DOI:10.1126/sciadv.ade4454.