La nuova frontiera dei sensori quantistici

Il centro della scena è tutto per i computer quantistici. Da questa nuova generazione di computer ci aspettiamo un grande balzo in avanti non soltanto dal punto di vista computazionale ma anche per raggiungere nuovi paradigmi in discipline quali la fisica e la chimica.

Il clamore intorno ai computer quantistici sta oscurando però l’imminente nuova frontiera dei sensori quantistici. Il loro sviluppo potrebbe dotare strumenti autonomi della capacità di assistere la navigazione subacquea o di monitorare l’attività vulcanica e sismica o ancora di fornire sofisticati metodi di analisi e monitoraggio in campo medico.

La loro straordinaria capacità di precisione si ottiene sfruttando la natura quantistica della materia come ad esempio usando i diversi stati energetici degli elettroni come unità di base. Un esempio è costituito dal funzionamento degli orologi atomici che misurano il tempo mondiale standard. Essi si basano sul fatto che gli elettroni dell’atomo cesio-133 completano una transizione specifica 9.192.631.770 volte ogni secondo.

Non è l’unico modo di utilizzare le proprietà quantistiche per progettare sensori super sensibili. L’Università di Birmingham, Regno Unito, ha sviluppato un progetto che utilizza “atomi freddi” per un controllo completo della posizione, la velocità e gli stati interni degli atomi usando tecniche di interazione luce-atomo.

“Una volta che gli atomi vengono raffreddati fino a un milionesimo di grado al di sopra dello zero assoluto, diventano sonde perfette per i sensori quantici. La rilevazione del tempo, della gravità, delle rotazioni e dei campi magnetici è stata dimostrata in un laboratorio con una sensibilità adeguata per la documentazione, spiega il coordinatore del progetto prof. Kai Bongs.

Questa tecnologia ha permesso la realizzazione di un gravimetro mobile con una sensibilità più alta di quelli tradizionali. Questo gravimetro quantistico sarebbe in grado di rilevare cavi interrati, tubi ed altri oggetti che non potrebbero essere individuati senza scavare.

La tecnologia quantistica è il livello successivo per i sensori perché sposta i limiti tecnici fino ad ora fissati. Utilizzando gli effetti quantistici, è possibile percepire ulteriori dettagli dal rumore del segnale dove, fino ad ora, nessun segnale specifico sarebbe stato misurabile. Ciò consente la misurazione di particelle che sono circa duecento volte più piccole della larghezza di un capello umano.

I sistemi di rilevamento quantistici sono però ancora troppo costosi ed ingombranti per aver una ricaduta industriale, però nel 2019, ricercatori del MIT hanno utilizzato metodi di fabbricazione convenzionale per per inserire un sensore quantistico a base di diamante sopra un chip di silicio in un quadrato di pochi millimetri di diametro.

Questo prototipo apre la strada per sensori in grado di essere prodotti su larga scala e con costi contenuti e gli analisti industriali si attendano che essi arrivino sul mercato entro 3-5 anni, inizialmente per applicazioni in campo medico e militare.

Fonte:

alcune voci di Wikipedia

Le Scienze, gennaio 2021, ed. cartacea