El GPS de su teléfono, el WiFi en su casa y las comunicaciones en la aeronave funcionan con ondas de radiofrecuencia u ondas de RF, que transportan información desde un transmisor en un punto a un sensor en otro. Los sensores interpretan esta información de manera diferentePor ejemplo, un sensor GPS determina su ubicación utilizando la cantidad de tiempo que se tarda en recibir una señal de un satélite. Para aplicaciones como la localización en el interior y la derrota de las señales GPS falsificadas, un sensor inalámbrico mide el ángulo en el querecibe una onda de RF. Cuanto más preciso sea el sensor para medir este retraso de tiempo o ángulo de llegada, más podrá determinar con precisión la ubicación o mejorar la seguridad.
En un artículo publicado hoy 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, demuestran cómo una combinación de dos técnicas, la detección de fotónica de radiofrecuencia y la metrología cuántica, puede proporcionar a las redes de sensores un nivel nunca antes vistode precisión. El trabajo consiste en transferir información de electrones a fotones, luego usar entrelazamiento cuántico para aumentar las capacidades de detección de los fotones.
"Este paradigma de detección cuántica podría crear oportunidades para mejorar los sistemas GPS, los laboratorios de astronomía y las capacidades de imágenes biomédicas", dijo Zheshen Zhang, profesor asistente de ciencias de los materiales e ingeniería y ciencias ópticas, e investigador principal del Grupo de Información y Materiales Cuánticos 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 las señales de RF en una corriente eléctrica compuesta de electrones en movimiento. Sin embargo, la detección óptica, que utiliza fotones, o unidades de luz, para transportar información, es mucho más eficiente. No solo los fotones pueden almacenar más datosque los electrones, dando a la señal un ancho de banda mayor, pero la detección basada en fotónica puede transmitir esa señal mucho más lejos que la detección basada en electrónica y con menos interferencia. Debido a que las señales ópticas ofrecen tantas ventajas, los investigadores utilizaron un transductor electroóptico para convertir RFondas en el dominio óptico en un método llamado RF-fotonics sensing.
"Diseñamos un puente entre un sistema óptico y una cantidad física en un dominio completamente diferente", explicó Zhang. "Demostramos eso con un dominio de RF en este experimento, pero la idea también podría aplicarse a otros escenarios. Por ejemplo, si desea medir la temperatura con fotones, puede usar 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.
Por lo general, la precisión de un sensor está limitada por algo llamado límite cuántico estándar. Por ejemplo, los sistemas GPS de teléfonos inteligentes suelen ser precisos dentro de un radio de 16 pies. La metrología cuántica utiliza partículas entrelazadas para superar el límite cuántico estándar y tomar mediciones ultrasensibles.
¿Cómo funciona? Las partículas enredadas están unidas para que cualquier cosa que le pase a una partícula también afecte a las partículas con las que está enredada, siempre que se tomen las medidas apropiadas.
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 ambos pudieran enredar sus cerebrosjuntos, el empleado y el supervisor tendrían automáticamente la misma información, ahorrando tiempo y permitiéndoles abordar 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 del interferómetro láser, o LIGO, que ha abierto una nueva ventana para los astrónomos. Sin embargo, casi todas las demostraciones previas de metrología cuántica, incluida LIGO, solo involucransensor único.
Conexión de redes de sensores
Sin embargo, 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, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática de la UA, demostró previamentemarco teórico para aumentar el rendimiento al unir sensores entrelazados.
Este nuevo experimento demostró por primera vez que una red de tres sensores puede enredarse 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 informacióninstantáneamente con sus jefes, y los jefes podrían compartir instantáneamente esa información entre ellos, haciendo que su flujo de trabajo sea extremadamente eficiente.
"Típicamente, en un sistema complejo, por ejemplo, una red de comunicaciones inalámbricas o incluso nuestros teléfonos celulares, 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
"Imagine, por ejemplo, una red para la detección biológica: puede enredar 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."Realmente, esta técnica podría aplicarse a cualquier aplicación que requiera una matriz o red de sensores".
Una aplicación potencial está en la red de fotones enredados que se está construyendo en el campus de la Universidad de Arizona. En un trabajo teórico publicado en Physical Review X en 2019, Zhuang presentó cómo las técnicas de aprendizaje automático pueden entrenar sensores en una red de sensores enredada a gran escala como estauno para tomar medidas ultra precisas.
"El entrelazamiento permite a los sensores extraer con mayor precisión las características de los parámetros que se están detectando, lo que permite un mejor rendimiento en tareas de aprendizaje automático como la clasificación de datos del sensor y el análisis de componentes principales", dijo Zhuang. "Nuestro trabajo anterior proporciona un diseño teórico de un enredosistema de aprendizaje automático mejorado que supera a los sistemas clásicos ".
Además de Zhang y Zhuang, los autores del artículo fueron Yi Xia, estudiante de doctorado en ciencias ópticas; Wei Li, investigadora postdoctoral en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; y William Clark y Darlene Hart de General Dynamics Mission Systems.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Arizona . Original escrito por Emily Dieckman. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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