I sensori quantistici sono destinati a rilevare le frodi alimentari direttamente al supermercato

Le frodi alimentari causano miliardi di danni ogni anno e possono comportare gravi rischi per la salute. Esempi comuni sono il miele adulterato con acqua zuccherata, il succo d'arancia o la tequila diluiti con ingredienti più economici. Ad oggi, la verifica dell'autenticità dei prodotti alimentari richiede analisi di laboratorio, un processo complesso, costoso e che richiede molto tempo. Il progetto QSPEC, finanziato dal BMFTR, affronta questa sfida sviluppando un metodo di spettroscopia quantistica molto più compatto ed economico rispetto alle tecniche esistenti. L'attenzione principale è rivolta al miele e al succo d'arancia, che sono tra i prodotti alimentari più frequentemente adulterati secondo il Journal of Food Science. I sei partner AMO GmbH, il gruppo di ricerca Photonic Quantum Technologies della Leibniz University Hannover (LUH), TOPTICA Photonics SE, AMOtronics UG, l'Istituto tedesco per le tecnologie alimentari (DIL) e il Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) stanno sviluppando congiuntamente un sistema che comprende un laser, componenti ottici quantistici e l'hardware di rilevamento associato.

Sfruttare le differenze di lunghezza d'onda delle coppie di fotoni

Il metodo di spettroscopia si basa sull'uso di coppie di fotoni entangled per la misurazione. Il fotone a lunga lunghezza d'onda interagisce con il campione e ne modifica le proprietà; questo cambiamento viene poi trasferito a un fotone a breve lunghezza d'onda in una seconda fase. I ricercatori sfruttano le caratteristiche complementari delle due lunghezze d'onda all'interno della coppia di fotoni: il fotone a lunga lunghezza d'onda interagisce più efficacemente con il campione, mentre quello a breve lunghezza d'onda è più facile da rilevare.

Sorgenti laser per la generazione di fotoni entangled

TOPTICA SE e LZH hanno completato due elementi chiave: nuove sorgenti laser per la generazione di fotoni entangled utilizzando un pettine di frequenza quantistica. Ciascun partner ha consegnato a LUH un progetto di laser distinto. Entrambi i laser emettono a una lunghezza d'onda di 1.950 nm e presentano una larghezza di linea spettrale molto stretta, inferiore a 1 GHz, necessaria per il pompaggio del pettine di frequenza quantistico. Le due sorgenti si differenziano per le caratteristiche degli impulsi. Il laser LZH opera nel regime dei picosecondi, mentre il laser TOPTICA emette in modalità a onda continua (cw) ed è sintonizzabile senza mode-hop da 1.920 nm a 1.980 nm.

Generazione di successo di coppie di fotoni entangled

Parallelamente, AMO GmbH ha fabbricato i primi chip nanofotonici per il progetto. Questi chip integrano i componenti essenziali richiesti per la misurazione - compresi quelli necessari per la generazione di pettini di frequenza quantistica con i laser TOPTICA e LZH - in un fattore di forma estremamente compatto. Utilizzando i chip prodotti da AMO, LUH ha già dimostrato la generazione di coppie di fotoni a una lunghezza d'onda di 1.550 nm: una prima importante pietra miliare sulla strada verso un principio di misura basato sui quanti.

Sistema per la stabilizzazione della temperatura

La stabilità delle condizioni di temperatura è fondamentale per garantire che i singoli componenti, perfettamente abbinati, forniscano risultati riproducibili nelle difficili condizioni delle misure quantistiche. Per questo motivo, AMOtronics UG ha costruito un sistema di stabilizzazione della temperatura dedicato. Una caratteristica fondamentale di questo sistema è la sua architettura modulare, che consente un controllo digitale di precisione (PID) semplice e indipendente e il monitoraggio della temperatura su un massimo di otto canali. Oltre a un'interfaccia utente grafica, il sistema offre un'interfaccia software programmabile per un'integrazione flessibile in configurazioni più complesse.

Database di riferimento per succo d'arancia e miele

Nella prossima fase del progetto, i partner continueranno a sviluppare il sistema di laboratorio e lo convertiranno in un primo prototipo compatto. Utilizzando questo sistema, il DIL analizzerà i campioni alimentari rispetto a metodi di riferimento consolidati. L'istituto sta costruendo un database di riferimento utilizzando tecniche standard come la spettroscopia NIR e NMR come punto di riferimento per la successiva convalida. Il succo d'arancia e il miele sono i primi campioni alimentari analizzati. Con il prototipo i ricercatori eseguiranno misurazioni comparative per valutare e perfezionare le prestazioni analitiche. Ciò consentirà di ampliare la banca dati e di trarre conclusioni sull'origine e la composizione dei prodotti alimentari, con vantaggi in termini di velocità, precisione e facilità d'uso rispetto ai metodi attuali.

I partner del progetto mirano a gettare le basi per un sistema industriale sufficientemente piccolo ed economico da poter essere utilizzato su larga scala. La loro visione a lungo termine è quella di integrare questa funzionalità direttamente in uno smartphone, in modo che tutti possano sapere esattamente cosa c'è nei loro alimenti.

Informazioni su QSPEC

Il progetto QSPEC è finanziato dal Ministero federale tedesco per la ricerca, la tecnologia e lo spazio (BMFTR) nell'ambito dell'iniziativa di finanziamento "Lighthouse Projects in Quantum-Based Metrology for Addressing Societal Challenges". Il coordinatore del consorzio è AMO GmbH. Altri partner sono il Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), il gruppo di ricerca Photonic Quantum Technologies della Leibniz University Hannover (LUH), TOPTICA SE, AMOtronics UG e DIL Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. I partner associati sono AIRSENSE Analytics GmbH, J&M Analytik, VPIphotonics GmbH e Food Processing Initiative e.V.