Tecnologie quantistiche per vedere l’invisibile e navigare senza satelliti

Poter vedere oggetti nascosti alla vista oppure attraverso fumo e nebbia o avere un sistema di navigazione preciso ma senza i satelliti : sono alcune delle incredibili applicazioni rese possibili dal mondo dei quanti, con fotoni ‘intrecciati’ e particelle fantasma. A trasformarle in realtà è il lavoro dei ricercatori dei Leonardo Innovation Labs dedicati a Tecnologie Quantistiche, Optronica e Materiali Avanzati, a Roma. Ecco alcuni esempi.

Vedere dietro un muro usando singole particelle di luce
“Grazie a rilevatori capaci di osservare singoli fotoni si sono aperte applicazioni finora impossibili per le tecnologie tradizionali”, ha detto all’ANSA il responsabile dell’area, Massimiliano Dispenza. Una di queste è usare fasci di particelle di luce ( fotoni ), farli rimbalzare su una parete, e usarli per vedere che cosa c’è dentro una stanza oppure oggetti nascosti alla vista.
“Il segreto – ha aggiunto Dispenza– è prima di tutto nella capacità di poter misurare con altissima precisione il tempo con cui i fotoni inviati, anche dopo aver rimbalzato più volte su porte o pareti, tornano indietro , un tipo di informazione che una fotocamera classica invece non riesce a fornire”.
Dopo aver preso nota del tempo di arrivo, con una precisione nell'ordone dei picosecondi , ossia millesimi di miliardesimo di secondo , e delle caratteristiche dei singoli fotoni tornati alla fotocamera, il passo successivo è rielaborare le informazioni e su queste basi ottenere un’ immagine 3D .
“Grazie alla potenza di calcolo non solo vedo un’immagine ma riesco a ricostruire l’intero ambiente, che altrimenti mi sarebbe impossibile osservare ottenendo un video in tempo reale di quello che accade all’interno”, ha detto Ugo Zanforlin, del Leonardo Innovation Lab. “Un ulteriore miglioramento – ha proseguito – potrà poi arrivare da algoritmi di Intelligenza Artificiale capaci di pulire le immagini per renderle più definite e comprensibili ”. Un'applicazione come questa in futuro potrà essere usato in molti ambiti da quelli per la sicurezza , ad esempio per l’ispezione di ambienti con possibili pericoli, all’ identificazione di ostacoli difficilmente visibili lungo una strada, utile per esempio per i veicoli a guida autonoma.

Navigare con precisione senza i satelliti
Dall’incontro tra il più preciso orologio atomico , un innovativo giroscopio e un accelerometro vedrà presto la luce un sistema di navigazione preciso come quelli basati sui satelliti ma che non richiede alcuna rete satellitare . Una tecnologia simile in futuro essere utilizzata su aerei , sottomarini e in genere nelle situazioni in cui è difficile o impossibile la copertura satellitare .
“Uno degli elementi chiave del dispositivo è un innovativo orologio ad atomi di rubidio che vengono raffreddati attraverso una serie di laser che ne ‘congelano’ i movimenti”, ha detto Gianmaria Milani. Sfruttando le tecnologie quantistiche le pulsazioni di questa nuvola di atomi di rubidio sospesa nel vuoto diventano il cuore di un precisissimo orologio atomico , con un miglioramento di 1 o 2 ordini di grandezza rispetto a quelli attuali.
Unito alla capacità di registrare ogni più piccolo movimento da parte di un giroscopio e di un accelerometro m questo orologio atomico permetterà di tracciare ogni spostamento , con una precisione simile o persino superiore a quella che si ha usando una rete satellitare come Galileo o Gps.
“Il prossimo passo sarà la miniaturizzazione di tutte le componenti così da poter sviluppare un dispositivo compatto da usare dove la rete satellitare è di difficile accesso oppure disturbata”, ha aggiunto Massimiliano Dispenza, a capo dell’area dei Leonardo Innovation Labs dedicata a Tecnologie Quantistiche, Optronica e Materiali Avanzati. E’ il caso, ad esempio, del traffico urbano in zone con molti grattacieli , nelle gallerie , oppure degli aerei di linea in caso si disturbi ai sistemi di navigazione satellitari nelle regioni attorno al conflitto ucraino o i sottomarini impegnati in lunghe missioni senza poter emergere, per evitare di essere individuati.

Vedere attraverso la nebbia grazie ai fotoni fantasma
Oppure vedere lontano, attraverso nebbia, fumo o polveri, usando i ‘fantasmi’ delle particelle di luce prodotti sfruttando il bizzarro abbraccio quantistico tra i fotoni detto entanglement.
“Il dispositivo che stiamo sviluppando permette di osservare un oggetto o un ambiente sfruttando uno dei più bizzarri fenomeni del mondo quantistico, il cosiddetto entanglement ”, ha detto  Alessia Suprano, una delle ricercatrici del Leonardo Quantum Lab. I fotoni ‘intrecciati’ (entangled) sono intimamente connessi tra loro , tanto che quando uno di loro interagisce con il mondo esterno anche l’altro, in modo istantaneo, ne registra l’evento.
Grazie ai miglioramenti tecnologici si è ormai in grado non solo di produrre facilmente fotoni entangled ma persino creare coppie di fotoni di ‘colori diversi’ , ad esempio uno nella frequenza dell’ infrarosso e l’altro nel visibile . “A questo punto, se uno dei due fotoni (quello infrarosso) lo invio verso un oggetto e l’altro (quello visibile) verso una fotocamera posso allora vedere l’immagine dell’oggetto usando i fotoni visibili che non lo hanno mai colpito”, ha aggiunto Massimiliano Dispenza, a capo dell’area dei Leonardo Innovation Labs dedicata a Tecnologie Quantistiche, Optronica e Materiali Avanzati.
Una bizzarria difficile da comprendere perché non esiste nel nostro mondo classico, ma che sta dando la possibilità di realizzare strumenti finora impossibili , tra cui una videocamera capace di inviare fotoni infrarossi, capaci per loro natura di attraversare più facilmente la nebbia, e visualizzare senza alcun disturbo l’immagine usando più tradizionali ed economici rivelatori che funzionano nel visibile. Delle vere e proprie immagini fantasma , detta anche ghost images, che possono trovare importanti applicazioni anche in ambito biomedico .
“Ad esempio avere microscopi capaci di analizzare campioni biologici senza danneggiarli ”, ha aggiunto la ricercatrice Chiara Michelini. Per quanto piccoli, infatti, a causa della loro energia i fotoni che colpiscono un campione, ad esempio cellule di un tessuto, possono danneggiarlo anche gravemente, ma grazie ai fotoni entangled sarà possibile osservare i campioni con fotoni a infrarossi, a bassa energia, e quindi meno invasivi e riceverne invece l’immagine attraverso il fotone accoppiato nel visibile.