La tecnologia quantistica e il futuro dei sensori

Noi interagiamo con il mondo circostante grazie a sensori molto sofisticati di cui il nostro corpo è dotato: gli occhi per vedere la luce, le orecchie per sentire i suoni, il naso per gli odori e altri ancora. L'ingegno umano, attraverso lo sviluppo tecnologico, ha poi permesso di ampliare e amplificare queste interazioni mediante l'utilizzo di sensori meccanici ed elettronici quali, ad esempio, microfoni in grado di sentire suoni non udibili dall'orecchio oppure sensori a infrarossi per rivelare radiazioni non visibili all'occhio.

I sensori sono presenti ovunque: cellulari, abitazioni, strade, automobili, treni, aerei. Sono sempre più utilizzati nelle molteplici attività umane e ormai sono diventati anche molto pervasivi, in grado di controllare nel dettaglio le nostre azioni. Inoltre, i sensori stanno assumendo un peso sempre maggiore anche nella difesa militare.

I sensori hanno però un punto debole, molto banale: in assenza di segnali non funzionano. Al buio i nostri occhi non vedono, nel silenzio le orecchie non sentono e così via. Per questo motivo, la ricerca è impegnata da una parte a sviluppare sensori sempre più precisi in grado di rivelare segnali sempre più deboli (il buio non è mai veramente buio, il silenzio difficilmente è assoluto) dall'altra a studiare nuove tecnologie per evitare di essere rivelati dai sensori stessi.

C'è un'eccezione a questa regola: il gravimetro, cioè lo strumento che misura la forza di gravità, che non può mai essere eliminata. Tutti gli oggetti, per il semplice fatto di esistere, producono e a loro volta subiscono la forza di gravità, che fa ruotare i pianeti attorno al sole e cadere le mele per terra, fatto questo che portò Newton, come dicono le cronache, a capire che la gravità è una proprietà di tutti gli oggetti.

La gravità, e il modo in cui varia nello spazio, dipende dalle dimensioni, forma e densità della materia circostante; ciò significa che una sua mappatura precisa consente, almeno in linea di principio, di ricostruire la disposizione dei vari oggetti, compresi quelli in movimento, anche se invisibili con altri mezzi, ed in generale della distribuzione di materia.

Per funzionare al meglio, i gravimetri devono essere estremamente precisi, qualità che generalmente si ottiene a scapito della flessibilità e compattezza dello strumento. Infatti i sensori più precisi al mondo spesso sono complicati e ingombranti e ciò ne rende difficile un utilizzo pratico e diffuso.

I gravimetri quantistici si stanno imponendo all'attenzione come il migliore compromesso tra le due opposte esigenze. Questi strumenti utilizzano la caratteristica più peculiare dei sistemi quantistici, ovvero la possibilità di trovarsi nella sovrapposizione di stati diversi, che possono interferire tra loro, un po' come le onde del mare si possono scomporre e ricomporre producendo increspature.

Nel caso dei gravimetri quantistici si genera la sovrapposizione del moto di un atomo lungo due diverse traiettorie nello spazio, ad esempio una più in alto e una più in basso rispetto al punto in cui è posizionato lo strumento. In ciascuno dei due percorsi, l'atomo interagisce in maniera leggermente diversa con l'ambiente circostante e in virtù di questa differenza, quando i due percorsi vengono ricongiunti e confrontati, è possibile determinarne la forza di gravità che agisce nel punto in cui si trova lo strumento. Muovendo poi il gravimetro in punti diversi e ripetendo l'operazione con gli atomi, è possibile misurare come la gravità cambia nello spazio e quindi ricostruire l'ambiente circostante che l'ha generata.

L'elemento chiave della tecnologia quantistica è che le sovrapposizioni sono estremamente sensibili all'ambiente circostante, e quindi un gravimetro quantistico è in grado di misurare variazioni molto deboli della forza di gravità, mediante una tecnologia che è sì complessa e sofisticata, ma anche relativamente compatta e quindi in grado di essere trasportata agilmente dove necessario.

Gli impieghi dei gravimetri quantistici potenzialmente sono molti: nella ricerca scientifica e nella climatologia, per monitorare la Terra e i suoi cambiamenti; nella geo-esplorazione per sondare il sottosuolo senza l'utilizzo di trivelle; nella navigazione, per aiutare a tenere la rotta senza aver bisogno di punti di riferimento esterni. Non ultimo, anche in ambito militare, dove la possibilità di rivelare oggetti in movimento (idealmente, anche aerei e sommergibili) invisibili ai sensori attualmente in uso sta generando una crescente attenzione verso questa nuova tecnologia.

Angelo Bassi, professore di Fisica, Università degli Studi di Trieste