LO STUDIO PUBBLICATO SU SCIENCE

Catturato il segnale nel pagliaio

Un team di ricercatori dell’Università della California ha sviluppato una nuova tecnica di estrazione di segnali rapidi e casuali, immersi in un forte rumore di fondo, che si è dimostrata in grado di ottenere risultati superiori ai rilevatori attualmente a nostra disposizione. Le ricadute riguardano numerose discipline scientifiche e tecnologiche: dall’astronomia alla biologia, passando per il telerilevamento

Rappresentazione artistica della rilevazione di un Fast Radio Burst (FRB). I FRB sono lampi improvvisi e di breve durata nella banda radio, e sono quindi fenomeni che potranno essere rilevati grazie a questa nuova tecnica. Crediti: Swinburne Astronomy Productions

Rappresentazione artistica della rilevazione di un Fast Radio Burst (FRB). I FRB sono lampi improvvisi e di breve durata nella banda radio, e sono quindi fenomeni che potranno essere rilevati grazie alla nuova tecnica. Crediti: Swinburne Astronomy Productions

L’osservazione di fenomeni casuali e non ripetuti è di fondamentale importanza in molti campi della scienza: dall’astronomia alla spettroscopia, dalla biologia al telerilevamento. A causa della presenza di segnali deboli, coperti da un forte rumore di fondo, questo tipo di studi rappresenta una notevole sfida.

Un team di ricercatori è riuscito a sviluppare una nuova tecnica di estrazione che è in grado di rivelare proprio questo tipo di segnali random, ottenendo risultati che vanno oltre le possibilità dei rilevatori attualmente a nostra disposizione.

La capacità di captare un segnale breve e casuale, che si verifica solo una volta ed è immerso in un mare di altri segnali spuri, ha importanti implicazioni in molte discipline scientifiche: dalla possibilità di rivelare il decadimento spontaneo di una molecola a quella di individuare brevi lampi luminosi provenienti dal cosmo. Questa nuova tecnica potrebbe addirittura consentire l’osservazione di fenomeni che sono rimasti fino ad oggi inosservati. Attualmente, infatti, è possibile percepire segnali sconosciuti solamente se questi si ripetono, cosa che permette di mediare i dati raccolti, identificare eventuali pattern, e dunque estrarre il segnale ricorrente. Quando invece abbiamo a che fare con segnali casuali non ripetuti non ci sono dati sufficienti per individuare eventuali periodicità.

Nello studio pubblicato sul prossimo numero della rivista Science Vahid Ataie e i suoi collaboratori, un gruppo di ricercatori presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica e Informatica dell’Università della California, sono riusciti a superare questo ostacolo utilizzando come modello dei segnali radio. La scelta è ricaduta su questo tipo di segnali perché hanno importanti applicazioni in termini di tecnologia commerciale, scientifica e della difesa. Per condurre la loro ricerca hanno utilizzato un sensore che traduce i segnali radio in segnali ottici, più sensibili alle variazioni di frequenza, e hanno ripetuto il singolo segnale in loop in modo da ottenere dati sufficienti e calcolarne la media.

Struttura dell’esperimento. I due pettini di frequenza ottici sintonizzabili (Tunable Optical Combs) TOC1 e TOC2 sono derivati da un singolo Master Laser (ML). Un singolo impulso viene combinato a un rumore di fondo e utilizzato per modulare il TOC1 con passo di frequenza ∆F. Il pettine di frequenza TOC2 con passo ∆F+f funge da oscillatore locale. Crediti: Ataie et al. 2015

Struttura dell’esperimento. I due pettini di frequenza ottici sintonizzabili (Tunable Optical Combs) TOC1 e TOC2 sono derivati da un singolo Master Laser (ML). Un singolo impulso viene combinato a un rumore di fondo e utilizzato per modulare il TOC1 con passo di frequenza ∆F. Il pettine di frequenza TOC2 con passo ∆F+f funge da oscillatore locale. Crediti: Ataie et al. 2015

I ricercatori hanno quindi applicato due pettini di frequenza ottici sintonizzabili, ovvero spettri costituiti da una serie di elementi distinti, equidistanti e regolabili. La sovrapposizione di questi due spettri facilita l’allineamento delle componenti temporali e spettrali del segnale casuale, e permette di amplificare il segnale casuale rispetto al rumore di fondo, consentendo il rilevamento di un impulso della durata di 80 picosecondi.

Ataie e i suoi colleghi hanno eseguito un totale di 4.720 rilevazioni per quantificare la capacità di distinguere il segnale dal rumore di fondo, trovando che questa nuova tecnica offre un’accuratezza superiore al 99%.

I risultati mostrano che questo tipo di tecnica, sebbene applicata a un caso specifico nella banda radio, può essere facilmente estesa nel campo dei segnali ottici o nelle microonde. In aggiunta, potrebbe permettere di intercettare la trasmissione di pacchetti di dati attualmente considerati sicuri.
Per saperne di più:

si invita a leggere l’articolo “Subnoise detection of a fast random event,” di V. Ataie, D. Esman, B.P.-P. Kuo, N. Alic e S. Radic