De gps van je telefoon, de wifi in uw huis en communicatie in vliegtuigen worden allemaal aangedreven door radiofrequentie, of RF, golven, die informatie van een zender op het ene punt naar een sensor op een ander punt brengen. De sensoren interpreteren deze informatie op verschillende manieren. Bijvoorbeeld, een GPS-sensor bepaalt zijn locatie door de hoeveelheid tijd te gebruiken die nodig is om een ​​signaal van een satelliet te ontvangen. Voor toepassingen zoals lokalisatie binnenshuis en het verslaan van spoofing GPS-signalen, een draadloze sensor meet de hoek waaronder hij een RF-golf ontvangt. Hoe nauwkeuriger de sensor deze vertraging of aankomsthoek kan meten, hoe meer het de locatie nauwkeurig kan bepalen of de beveiliging kan verbeteren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Technische en optische wetenschappen van de Universiteit van Arizona, in samenwerking met ingenieurs van General Dynamics Mission Systems, demonstreren hoe een combinatie van twee technieken - detectie van radiofrequentiefotonica en kwantummetrologie - sensornetwerken een voorheen ongehoord precisieniveau kan geven. Het werk omvat het overbrengen van informatie van elektronen naar fotonen, en vervolgens kwantumverstrengeling gebruiken om de waarnemingsmogelijkheden van de fotonen te vergroten.

"Dit paradigma van kwantumdetectie zou kansen kunnen creëren om GPS-systemen te verbeteren, astronomielaboratoria en mogelijkheden voor biomedische beeldvorming, " zei Zheshen Zhang, universitair docent materiaalkunde en techniek en optische wetenschappen, en hoofdonderzoeker van de Quantum Information and Materials Group van de universiteit. "Het kan worden gebruikt om de prestaties te verbeteren van elke applicatie waarvoor een netwerk van sensoren nodig is."

Van elektronen naar fotonen

Traditionele antennesensoren zetten informatie van RF-signalen om in een elektrische stroom bestaande uit bewegende elektronen. Echter, optische detectie, die fotonen gebruikt, of eenheden van licht, informatie te dragen, is veel efficiënter. Niet alleen kunnen fotonen meer data bevatten dan elektronen, het signaal een grotere bandbreedte geven, maar op fotonica gebaseerde detectie kan dat signaal veel verder verzenden dan op elektronica gebaseerde detectie, en met minder interferentie.

Omdat optische signalen zoveel voordelen bieden, de onderzoekers gebruikten een elektro-optische transducer om RF-golven om te zetten in het optische domein in een methode die RF-photonics sensing wordt genoemd.

"We ontwierpen een brug tussen een optisch systeem en een fysieke grootheid in een heel ander domein, " legde Zhang uit. "We hebben aangetoond dat met een RF-domein in dit experiment, maar het idee kan ook worden toegepast op andere scenario's. Bijvoorbeeld, als je temperatuur wilt meten met fotonen, je zou een thermo-optische transducer kunnen gebruiken om de temperatuur om te zetten in een optische eigenschap."

Verstrikte sensoren

Na het converteren van informatie naar het optische domein, de onderzoekers pasten een techniek toe die kwantummetrologie wordt genoemd. Gebruikelijk, de precisie van een sensor wordt beperkt door iets dat de standaard kwantumlimiet wordt genoemd. Bijvoorbeeld, GPS-systemen voor smartphones zijn meestal nauwkeurig binnen een straal van 16 voet. Kwantummetrologie gebruikt verstrengelde deeltjes om voorbij de standaard kwantumlimiet te breken en ultragevoelige metingen te doen.

Hoe werkt het? Verstrengelde deeltjes zijn aan elkaar gebonden, dus alles wat er met één deeltje gebeurt, heeft ook invloed op de deeltjes waarmee het verstrikt is, zolang de juiste metingen worden verricht.

Stel je een supervisor en een werknemer voor die samenwerken aan een project. Omdat het tijd kost voor de werknemer om informatie met zijn supervisor te delen via methoden zoals e-mails en vergaderingen, de efficiëntie van hun partnerschap is beperkt. Maar als de twee hun hersens in elkaar zouden kunnen steken, de werknemer en de leidinggevende zouden automatisch over dezelfde informatie beschikken, wat tijd bespaart en hen in staat stelt gezamenlijk een veelvoorkomend probleem efficiënter aan te pakken.

Kwantummetrologie is gebruikt om de sensorprecisie te verbeteren op plaatsen zoals de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, of LIGO, die een nieuw venster voor astronomen heeft geopend. Echter, bijna alle eerdere demonstraties van kwantummetrologie, inclusief LIGO, slechts een enkele sensor betrekken.

Sensornetwerken aansluiten

RF-golven worden meestal ontvangen door een netwerk van sensoren, die elk afzonderlijk informatie verwerken - meer als een groep onafhankelijke werknemers die samenwerken met hun supervisors. Quntao Zhuang, een assistent-professor in elektrische en computertechniek, heeft eerder een theoretisch raamwerk aangetoond om de prestaties te verbeteren door verstrengelde sensoren samen te voegen.

Dit nieuwe experiment toonde voor het eerst aan dat een netwerk van drie sensoren met elkaar verstrengeld kan worden, wat betekent dat ze allemaal de informatie van sondes ontvangen en deze tegelijkertijd met elkaar correleren. Het is meer alsof een groep werknemers informatie direct met hun bazen zou kunnen delen, en de bazen konden die informatie onmiddellijk met elkaar delen, waardoor hun workflow uiterst efficiënt wordt.

"Typisch, in een complex systeem, bijvoorbeeld een draadloos communicatienetwerk of zelfs onze mobiele telefoons - er is niet slechts een enkele sensor, maar een set sensoren die samenwerken om een ​​taak uit te voeren, "Zei Zhang. "We hebben een technologie ontwikkeld om deze sensoren te verstrengelen, in plaats van ze individueel te laten opereren. Ze kunnen hun verstrikking gebruiken om met elkaar te 'praten' tijdens de detectieperiode, wat de waarnemingsprestaties aanzienlijk kan verbeteren."

Hoewel het experiment slechts drie sensoren gebruikte, het opent de deur naar de mogelijkheid om de techniek toe te passen op netwerken van honderden sensoren.

"Stel je voor, bijvoorbeeld, een netwerk voor biologische detectie:je kunt deze biosensoren verstrengelen zodat ze samenwerken om de soort van een biologisch molecuul te identificeren, of om neurale activiteiten nauwkeuriger te detecteren dan een klassieke sensorarray, "Zei Zhang. "Echt, deze techniek kan worden toegepast op elke toepassing die een array of netwerk van sensoren vereist."

Een mogelijke toepassing is het verstrengelde fotonennetwerk dat wordt gebouwd op de campus van de Universiteit van Arizona. In theorie werk gepubliceerd in Fysieke beoordeling X in 2019, Zhuang presenteerde hoe machine learning-technieken sensoren in een grootschalig verstrengeld sensornetwerk zoals dit kunnen trainen om ultraprecieze metingen te doen.

"Verstrengeling stelt sensoren in staat om nauwkeuriger kenmerken te extraheren uit de parameters die worden gedetecteerd, waardoor betere prestaties mogelijk zijn bij machine learning-taken, zoals classificatie van sensorgegevens en analyse van hoofdcomponenten, "Zei Zhuang. "Ons eerdere werk biedt een theoretisch ontwerp van een verstrengelingsversterkt machine learning-systeem dat beter presteert dan klassieke systemen."