Le GPS de votre téléphone, le Wi-Fi dans votre maison et les communications dans les avions sont tous alimentés par radiofréquence, ou RF, vagues, qui transportent des informations d'un émetteur à un point à un capteur à un autre. Les capteurs interprètent ces informations de différentes manières. Par exemple, un capteur GPS détermine son emplacement en utilisant le temps qu'il faut pour recevoir un signal d'un satellite. Pour des applications telles que la localisation à l'intérieur et la suppression des signaux GPS d'usurpation, un capteur sans fil mesure l'angle auquel il reçoit une onde RF. Plus le capteur peut mesurer avec précision cette temporisation ou angle d'arrivée, plus il peut déterminer avec précision l'emplacement ou améliorer la sécurité.

Dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , Chercheurs en génie et en sciences optiques de l'Université d'Arizona, en collaboration avec les ingénieurs de General Dynamics Mission Systems, démontrer comment une combinaison de deux techniques, la détection photonique par radiofréquence et la métrologie quantique, peut donner aux réseaux de capteurs un niveau de précision sans précédent. Le travail consiste à transférer des informations des électrons aux photons, puis en utilisant l'intrication quantique pour augmenter les capacités de détection des photons.

"Ce paradigme de détection quantique pourrait créer des opportunités pour améliorer les systèmes GPS, laboratoires d'astronomie et capacités d'imagerie biomédicale, " a déclaré Zheshen Zhang, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux et sciences optiques, et chercheur principal du Quantum Information and Materials Group de l'université. "Il pourrait être utilisé pour améliorer les performances de toute application nécessitant un réseau de capteurs."

Des électrons aux photons

Les capteurs d'antenne traditionnels transforment les informations des signaux RF en un courant électrique composé d'électrons en mouvement. Cependant, détection optique, qui utilise des photons, ou unités de lumière, porter des informations, est beaucoup plus efficace. Non seulement les photons peuvent contenir plus de données que les électrons, donner au signal une plus grande bande passante, mais la détection basée sur la photonique peut transmettre ce signal beaucoup plus loin que la détection basée sur l'électronique, et avec moins d'interférences.

Parce que les signaux optiques offrent tant d'avantages, les chercheurs ont utilisé un transducteur électro-optique pour convertir les ondes RF dans le domaine optique dans une méthode appelée détection RF-photonique.

"Nous avons conçu un pont entre un système optique et une grandeur physique dans un tout autre domaine, " a expliqué Zhang. " Nous avons démontré qu'avec un domaine RF dans cette expérience, mais l'idée pourrait également être appliquée à d'autres scénarios. Par exemple, si vous voulez mesurer la température à l'aide de photons, vous pouvez utiliser un transducteur thermo-optique pour convertir la température en une propriété optique."

Capteurs enchevêtrés

Après avoir converti les informations dans le domaine optique, les chercheurs ont appliqué une technique appelée métrologie quantique. D'habitude, la précision d'un capteur est limitée par ce qu'on appelle la limite quantique standard. Par exemple, Les systèmes GPS des smartphones sont généralement précis dans un rayon de 16 pieds. La métrologie quantique utilise des particules enchevêtrées pour dépasser la limite quantique standard et prendre des mesures ultrasensibles.

Comment ça marche? Les particules enchevêtrées sont liées entre elles, de sorte que tout ce qui arrive à une particule affecte également les particules avec lesquelles elle est enchevêtrée, tant que les mesures appropriées sont prises.

Imaginez un superviseur et un employé travaillant ensemble sur un projet. Parce qu'il faut du temps à l'employé pour partager des informations avec son superviseur par le biais de méthodes telles que les e-mails et les réunions, l'efficacité de leur partenariat est limitée. Mais si les deux pouvaient emmêler leurs cerveaux ensemble, l'employé et le superviseur auraient automatiquement les mêmes informations, ce qui leur permettrait de gagner du temps et de s'attaquer ensemble plus efficacement à un problème commun.

La métrologie quantique a été utilisée pour améliorer la précision des capteurs dans des endroits tels que l'observatoire à ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser, ou LIGO, qui a ouvert une nouvelle fenêtre pour les astronomes. Cependant, presque toutes les démonstrations antérieures de métrologie quantique, dont LIGO, n'implique qu'un seul capteur.

Connexion des réseaux de capteurs

Les ondes RF sont généralement reçues par un réseau de capteurs, chacun d'entre eux traite les informations individuellement, comme un groupe d'employés indépendants travaillant avec leurs superviseurs. Quntao Zhuang, professeur assistant en génie électrique et informatique, précédemment démontré un cadre théorique pour améliorer les performances en associant des capteurs intriqués.

Cette nouvelle expérience a démontré pour la première fois qu'un réseau de trois capteurs peut s'entremêler, ce qui signifie qu'ils reçoivent tous les informations des sondes et les mettent en corrélation les uns avec les autres simultanément. C'est plus comme si un groupe d'employés pouvait partager des informations instantanément avec leurs patrons, et les patrons pourraient instantanément partager ces informations entre eux, rendant leur flux de travail ultra-efficace.

"Typiquement, dans un système complexe, par exemple, un réseau de communication sans fil ou même nos téléphones portables, il n'y a pas qu'un seul capteur, mais un ensemble de capteurs qui travaillent ensemble pour entreprendre une tâche, " a déclaré Zhang. "Nous avons développé une technologie pour embrouiller ces capteurs, plutôt que de les faire fonctionner individuellement. Ils peuvent utiliser leur enchevêtrement pour se « parler » pendant la période de détection, ce qui peut améliorer considérablement les performances de détection."

Alors que l'expérience n'utilisait que trois capteurs, elle ouvre la porte à la possibilité d'appliquer la technique à des réseaux de centaines de capteurs.

"Imaginer, par exemple, un réseau de détection biologique :Vous pouvez intricer ces biocapteurs pour qu'ils travaillent ensemble pour identifier l'espèce d'une molécule biologique, ou pour détecter les activités neuronales plus précisément qu'un réseau de capteurs classique, " dit Zhang. " Vraiment, cette technique pourrait être appliquée à toute application nécessitant une matrice ou un réseau de capteurs."

Une application potentielle réside dans le réseau de photons intriqués en cours de construction sur le campus de l'Université d'Arizona. En théorie, les travaux publiés dans Examen physique X en 2019, Zhuang a présenté comment les techniques d'apprentissage automatique peuvent entraîner des capteurs dans un réseau de capteurs enchevêtrés à grande échelle comme celui-ci pour prendre des mesures ultra-précises.

"L'intrication permet aux capteurs d'extraire plus précisément les caractéristiques des paramètres détectés, permettant de meilleures performances dans les tâches d'apprentissage automatique telles que la classification des données de capteurs et l'analyse des composants principaux, ", a déclaré Zhuang. "Nos travaux précédents fournissent une conception théorique d'un système d'apprentissage automatique amélioré par l'intrication qui surpasse les systèmes classiques."