Principali attività svolte:

Le attività relative al programma OT1 sono suddivise su tre progetti di ricerca:

Campione primario di frequenza al cesio
Mediante il campione primario di frequenza IT-CSF1sono state effettuate due calibrazioni della scala di tempo internazionale TAI.
Sono proseguite le attività di sviluppo del nuovo campione di frequenza a fontana di cesio criogenica: è stato completato il nuovo banco ottico per la cattura ed il raffreddamento degli atomi di Cs, interamente cablato in fibra, e si è realizzata parte dell'elettronica di gestione e controllo dell'esperimento. Al NIST è stato effettuato un primo test delle cavità a microonda in condizioni criogeniche.

Campione ottico all'Yb
Si è proseguito lo sviluppo del campione ottico di frequenza all'Yb, è stata generata per duplicazione la radiazione a 399 nm, e mediante di essa è stata osservata per la prima volta la MOT di Yb. Inoltre sono stati acquistate le cavità ad altissima finezza per la stabilizzazione in frequenza del laser di orologio, e sono stati progettati e parzialmente realizzati i relativi sistemi meccanici antivibranti di sostegno.
Si è completato il banco ottico del COMB, mediante l'utilizzo di una nuova fibra fotonica connettorizzata ed è stato possibile osservare entrambi i segnali necessari per l'asservimento e l'autoriferimento in frequenza del pettine ottico, necessari per il suo utilizzo come contatore di frequenze ottiche.

Campioni in cella per applicazioni spaziali e industriali
L'attività principale ha riguardato lo studio e la realizzazione di un campione di frequenza al Rb ad elevata stabilità basato sulla tecnica impulsata (Pulsed Optically Pumped clock). Tale campione, denominato maser POP, è stato realizzato nell'ambito di una collaborazione tra INRIM e GA, grazie a un finanziamento dell'ASI. Il compito dell'INRIM in particolare è stato quello di realizzare l'unità fisica del maser POP per dimostrare l'efficacia della tecnica impulsata applicata ai campioni in cella. Grazie a tale tecnica infatti è possibile rendere praticamente trascurabile il trasferimento di rumore dal laser di pompa alla transizione atomica, a beneficio della stabilità di frequenza sul medio-lungo termine dell'orologio. Compito dell'INRIM è stato inoltre quello di fornire al partner industriale GA la consulenza scientifica relativa al progetto della parte ottica ed elettronica del maser POP.
Nell'ambito del progetto IRGAL, e segnatamente con SEPA e AccuBeat, si è iniziato lo sviluppo di un campione a fascio di cesio altamente innovativo basato su interrogazione Ramsey di tipo CPT. Questo sistema dovrebbe avere caratteristiche simili a quelle dei fasci di cesio commerciali, ma con un sistema fisico molto semplificato e meno costoso. In questo programma di ricerca INRIM agisce da consulente tecnico/scientifico, grazie all'esperienza accumulata negli anni passati attraverso lo studio e lo sviluppo del Maser CPT.

Risultati conseguiti:
Nel corso del 2007 rispetto ai progetti sopra descritti sono stati raggiunti i seguenti risultati:

• fontana di cesio: realizzazione del banco ottico per la generazione dei fasci laser di trappola e rivelazione, inoltre presso il NIST è stata effettuata la prova della cavità Ramsey INRIM in condizione criogeniche.
• campione ottico: è stato generato per duplicazione il laser di trappola a 399 nm, è stata realizzata la struttura del fascio atomico, è stata osservata la spettroscopia della transizione a 399 nm per i vari isotopi atomici. Si è osservata la trappola magneto ottica realizzata con la radiazione a 399 nm, e se ne è potuta dare una prima caratterizzazione fisica.
• campione in cella: è stato completato un primo prototipo di campione di frequenza ad elevata stabilità del tipo Maser impulsato al Rubidio, è stata misurata una stabilità di 1.2^-12 ad 1 s ed è stato osservato rumore bianco di frequenza sino a 10⁵ s.

Principali attività svolte:

Realizzazione e disseminazione della Scala di Tempo Nazionale UTC(IT)
L'attività consiste nel generare una segnale di riferimento mediante un maser all'idrogeno, opportunamente corretto per compensare scarto relativo e deriva di frequenza, dal quale ricavare, mediante un orologio, un riferimento temporale con cadenza di 1 s, UTC(IT), allineato entro limiti prefissati all'andamento della scala di riferimento internazionale UTC. La scala UTC(IT), alla quale vengono riferiti mediante misure automatiche gli andamenti dei campioni al cesio e dei maser all'idrogeno del laboratorio, è continuamente confrontata con altre scale di tempo internazionali mediante sistemi di sincronizzazione di tipo satellitare (GPS - Global Positioning System e TWSTFT - Two Way satellite Time and Frequency Standard). La disponibilità di tale scala consente inoltre di generare servizi di disseminazione di ora e data, in tempo reale, utilizzabili dagli utenti nazionali, oltre che costituire il riferimento per le attività di taratura di laboratori metrologici e industriali.

Partecipazione al progetto europeo di navigazione satellitare Galileo
L'attività riguarda la partecipazione al progetto europeo di navigazione satellitare Galileo per quanto concerne la definizione della scala di tempo di riferimento, l'accordo con la scala UTC internazionale e la caratterizzazione degli orologi di bordo.

Modelli, metodi e algoritmi matematici per le scale di tempo
Attività dedicata a studiare, definire e applicare modelli matematici e algoritmi di calcolo per la caratterizzazione degli orologi atomici e delle scale di tempo e la valutazione del loro contributo in sistemi complessi. L'attività tende a sviluppare le conoscenze eventualmente necessarie nel prossimo futuro per le applicazioni più impegnative tra cui il sistema Galileo.

Risultati conseguiti:

• Il campione nazionale di tempo UTC(IT) è realizzato mediante 5 orologi atomici a fascio di cesio e 2 maser all'idrogeno. Lo scarto di tempo medio di UTC(IT) verso la scala internazionale UTC è stato di 17 ns, con incertezza 45 ns (2α). La deviazione di frequenza, su medie di 5 giorni, è stata contenuta entro 3·10^-14 (2α). È continuata la partecipazione ai "Key Comparisons" del CIPM, inviando periodicamente al BIPM i dati degli orologi atomici e delle misure di sincronizzazione. È' iniziato l'invio delle misure richieste anche al centro di raccolta (NPL) nell'ambito del contratto EU TSP (Time Service Provider).
• Attività su 3 contratti europei:
  a) ESA Galileo System Test Bed (GSTB) V2, ottobre 2005 - dic 2007. Dopo i primi anni di contratti a gara sul sistema Galileo, ESA ha deciso che per la sperimentazione che considera cruciale non effettuerà più gare ma chiamerà direttamente i collaboratori per le attività specifiche. Per quanto riguarda la caratterizzazione degli orologi di bordo, la scale di tempo, il confronto con il GPS e la sincronizzazione, INRIM è stato chiamato direttamente a condurre e coordinare le attività di sperimentazione importo per l'INRIM circa 400 k€, responsabile P. Tavella.
  b) ESA Galileo Phase CDE1, in collaborazione con il Consorzio Torino Time, sviluppo della Precise Timing Facility, dicembre 2005 - dicembre 2008, importo per l'INRIM circa 200 k€ come sottocontraente di Galileo Industries/Alcatel Tolosa, responsabile INRIM P. Tavella. Ruolo dell'INRIM: definire l'algoritmo per la scala di tempo di riferimento del sistema Galileo e collaborare alle tarature degli orologi e sistemi sincronizzazione di Terra.
  c) EU Galileo Time Service Provider Prototype, giugno 2005 - giugno 2008 importo per l'INRIM 230 k€ come sottocontraente di Helios (UK), responsabile P. Tavella. Ruolo dell'INRIM: partecipare alla definizione e alla sperimentazione di algoritmi, garantire i dati di misura degli orologi e sistemi sincronizzazione INRIM, curare il rapporto tra Galileo e BIPM e organismi di normazione.
• Sugli algoritmi per orologi è attiva una collaborazione con Politecnico di Torino e Università di Perugia, mentre per l'algoritmo di confronto orologi via GPS con algoritmo PPP (Precise Point Positioning) è stata attivata una collaborazione con istituto di geodesia canadese NRCan con un visiting scientist per 15 giorni. Il laboratorio di ricevitori geodetici GPS è stato arricchito di diversi programmi SW di manutenzione, controllo, monitoring e analisi ed è entrato a far parte della rete sperimentale di Real-Time che prevede il confronto di orologi a distanza con risultati entro pochi minuti (tipicamente i risultati si ottengono con 1 giorno -1 mese di ritardo). In tale rete sperimentale, la stazione INRIM è diventata riferimento con la sua scala di tempo verso cui tutte le altre stazioni vengono valutate.

Impatto dei risultati conseguiti sul contesto esterno:

• La generazione della scala di tempo UTC(IT) mediante un maser all'idrogeno, utilizzando una nuova catena di generazione e di distribuzione dei segnali, ha consentito di migliorarne la stabilità se confrontata con gli anni precedenti quando veniva generata mediante campioni atomici a fascio di cesio. Tale evento ha consentito, specialmente nella seconda parte del 2007, di contenere le fluttuazioni massime di scarto di tempo (entro un fascia massima di circa 30 ns), e di scarto relativo di frequenza (entro una fascia massima di ± 1.5·10^-14). Tali risultati sono evidenziati dalle Circolari T del BIPM che riportano mensilmente l'andamento delle differenti scale internazionali verso UTC.
• INRIM ha un ruolo molto importante per le attività di timing nel progetto Galileo. Al progetto Galileo quasi tutti gli istituti metrologici europei vorrebbero partecipare, in particolare al Time Service Provider che è l'organismo esterno, metrologico, che dà alla scala di tempo di Galileo le correzioni per rimanere sincronizzata con UTC internazionale. La Direzione PTB ha dato mandato ai nostri colleghi di perseguire ogni strada perché il PTB "non perda il treno Galileo". Gli istituti francese e spagnolo hanno fatto fuoco e fiamme per essere coinvolti. INRIM grazie alle precedenti collaborazioni con Alenia e ai primi fruttuosi coinvolgimenti del 1999/2001 vi è entrato in modo silenzioso, ma con professionalità conquistando negli anni una posizione ad ampio raggio. Nel progetto GSTB V2 la presenza di INRM è stata richiesta come vincolante dall'ESA. Anche altri contratti sono stati proposti direttamente ad INRIM, ma rifiutati per mancanza di risorse.
• Le attività di ricerca su algoritmi per la sorveglianza di orologi atomici ci hanno permesso di vincere una gara ESA per un contratto ADVENT attivo dal marzo 2008. L'attività afferisce al CCTF, in particolare ai Gruppi di Lavoro International Atomic Time e Algorithms di cui P. Tavella è Chair. Nel quadro di queste attività sono organizzati e preparati incontri periodici di tutti i laboratori.

Principali attività svolte:

Riferimenti in luce monocromatica

• Attività di mantenimento e miglioramento dei riferimenti radiometrici con sorgenti laser.
• Supporto all'attività di accreditamento, con particolare riguardo per le misure in fibra ottica.
• Studio di fattibilità di fotorivelatori calcolabili (progetto iMERA quCandela).

Rivelatori superconduttivi

• Rivelatore con discriminazione del numero di fotoni TES.
• Rivelatore superconduttivo a singolo fotone (SSPD).

Spettroradiometria dei materiali

• Studio di fattibilità di un sistema di misura per la caratterizzazione goniofotometrica di grosse superfici vetrate basato sull'utilizzo di due robot a sei gradi di libertà.
• Implementazione ed estensione delle procedure e metodologie di misura per la caratterizzazione dei materiali con obiettivi telecentrici.
• Completamento del progetto del sistema portatile per la misurazione spaziale del fattore di riflessione basato su un riflettore elissoidale.
• Caratterizzazione completa del sistema MIR per la misurazione del fattore di riflessione spettrale: MIR può essere utilizzato per misure in laboratorio o sul campo.

Riferimenti di misura per la Fotometria e la colorimetria

• Realizzazione di sistemi di misura dedicati per sorgenti luminose LED, con lo sviluppo di tecniche ad hoc per la caratterizzazione fotometrica in intensità luminosa, flusso luminoso e luminanza.

Illuminotecnica

• Automazione del laboratorio mobile Tiresia per la misurazione e all'analisi dei risultati di sistemi d'illuminazione in gallerie autostradali.

Imaging

• Realizzazione di un applicativo software in ambiente GRID Computing per il restauro di vecchi film affetti da difetti quali macchie e graffi, ed è iniziato lo studio di un nuovo algoritmo per il trattamento delle rigature verticali.

Risultati conseguiti:

• Modellizzazione meccanismi di perdita in fotodiodi "calcolabili"(perdite interne; riflessione regolare e diffusa), studio del sistema di misura (stabilizzazione laser, misura correnti).
• Realizzazione e messa in opera di un rivelatore con sensore a transizione di fase (TES) di Ti/Au (temperature critiche comprese tra 80 e 105 mK) per radiazione UV e visibile; il rivelatore permette di distinguere, quando illuminato con radiazione monocromatica impulsata, fino a 3 fotoni per impulso. E' stato caratterizzato a 780 nm un bolometro di MgB₂ realizzato su membrana operante a 30 K, che presenta una sensibilità di 2100 V/W con tempi di risposta di 17 ms.
• Digitalizzazione spettrale di immagini di reperti per studi di leggibilità ed esaltazione del contrasto anche con tecniche di illuminazione a stato solido; estensione al trattamento delle rigature verticali del software applicativo per il restauro di vecchie pellicole; caratterizzazione gonioradiometrica di pigmenti e vernici per i beni culturali.
• Il laboratorio mobile Tiresia ha effettuato diverse campagne di misura, per la valutazione sia di impianti di illuminazione stradale che di gallerie (oltre 50 km) oltre alla valutazione dell'inquinamento luminoso; è terminato un confronto internazionale per la valutazione del fattore spettrale di riflessione e trasmissione di superfici vetrose organizzato dalla International Commission on Glass, TC10; sono stati realizzati un sistema di controllo automatico della temperatura di colore della sorgente illuminante per la caratterizzazione goniometrica dei materiali e un sistema per la misurazione della luminanza del cielo e della torbidità atmosferica.

Impatto dei risultati conseguiti sul contesto esterno:

Il crescente impatto tecnologico delle radiazioni ottiche determina una significativa domanda di accurati riferimenti metrologici per la caratterizzazione spettrale in banda ottica di nuove sorgenti di luce, rivelatori e materiali. Lo sviluppo di rivelatori robusti e alta efficienza quantica consentirà la realizzazione di campioni della massima accuratezza per le grandezze radiometriche di base e derivate, e la loro disseminazione in tempi rapidi e a basso costo. Di rilievo è l'attività di servizio mediante tarature, prove e consulenze a favore del sistema produttivo nazionale.

Principali attività svolte:
Come negli anni precedenti le attivita' dei laboratori Carlo Novero hanno riguardato in generale lo studio dell'Informazione Quantistica, della Metrologia Quantistica e dei Fondamenti della Meccanica Quantistica.
Piu' in dettaglio le attivita' considerate sono state:

• Comunicazione Quantistica, con particolare riguardo alla criptografia quantistica ed alla generazione e trasmissione di stati entangled.
• Imaging quantistico e ghost imaging.
• Taratura di rivelatori sfruttando le proprieta' di correlazione quantistica della PDC.
• Studio del realismo locale.
• Studio di rivelatori con tempi morti minimizzati per applicazioni all'informazione quantistica.

Risultati conseguiti:
Nel corso del 2007 sono proseguiti gli studi sulle applicazioni dell'ottica quantistica alla metrologia ed informazione quantistica. I principali risultati ottenuti:

• Caratterizzazione spaziale e spettrale di sorgenti di stati di Bell via PDC cw sia per il tipo II che per due cristalli tipo I (più stati di Bell nella bandwith).
• Studio sistematico della struttura a speckles della PDC in vista di applicazioni al quantum imaging.
• Test di un modello realistico locale specifico [Santos] non escluso dai test delle diseguaglianze di Bell.
• Estensione della tecnica di misura a fotoni correlati, per la misura di efficienza quantica dei rivelatori, dal regime di conteggio a quello analogico; analisi dei limiti della tecnica, valutazione degli effetti sistematici, stima dei contributi statistici (incertezza di misura: 1%).
• Applicazione della tecnica di ricostruzione della statistica di stati quantistici ottici per mezzo di rivelatori on/off a casi di particolare interesse: squeezed states, twin-beams.
• Studio numerico sugli effetti atmosferici di un canale di comunicazione quantistica ottico terra-spazio.
• Progettazione e realizzazione di un apparato ottico attivo per la riduzione dei tempi morti in rivelatori a singolo fotone.
• Studio teorico ed esperimenti preliminari per la realizzazione di ghost imaging con PDC seeded con stati termici.
• Misure di efficienza di produzione di coppie di fotoni sfruttando la PDC in guida d'onda PPLN.