Ученые показали прототип квантового радара
Квантовая запутанность - это физическое явление, при котором две частицы остаются взаимосвязанными, независимо от того, насколько далеко они друг от друга.
Физики из Института науки и техники Австрии (IST Austria) изобрели новый прототип радара, который использует квантовую запутанность в качестве метода обнаружения объекта. Эта успешная интеграция квантовой механики в устройства может существенно повлиять на биомедицинскую и охранную отрасли. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Квантовая запутанность — это физическое явление, при котором две частицы остаются взаимосвязанными, независимо от того, насколько далеко они друг от друга.
Теперь ученые из исследовательской группы профессора Йоханнеса Финка из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) вместе с сотрудниками Стефано Пирандола из Массачусетского технологического института (MIT) и Университета Йорка, Великобритания, и Дэвида Витали из Университет Камерино, Италия — продемонстрировал новый тип технологии обнаружения, называемый микроволновым квантовым освещением, который использует запутанные микроволновые фотоны в качестве метода обнаружения.
Прототип, который также известен как квантовый радар, способен обнаруживать объекты в шумных тепловых средах, где классические радарные системы часто выходят из строя. Эта технология может найти применение в биомедицинских томографов и сканерах с ультра-низким энергопотреблением.
Использование квантовой запутанности в качестве новой формы обнаружения
Принципы работы устройства просты: вместо использования обычных микроволн, исследователи запутывают две группы фотонов, которые называются сигнальными и неактивными фотонами.
Сигнальные фотоны направляются к интересующему объекту, в то время как неактивными фотоны измеряются в относительной изоляции, без помех и шума. Когда сигнальные фотоны отражаются обратно, истинная запутанность между сигналом и более слабыми фотонами теряется, но сохраняется небольшое количество корреляции, создавая сигнатуру или паттерн, который описывает существование или отсутствие целевого объекта — независимо от шума в окружающей среде.
«То, что мы продемонстрировали, является доказательством концепции микроволнового квантового радара», — говорит ведущий автор работы Шабир Барзанех, чье предыдущее исследование помогло продвинуть теоретическое понятие, лежащее в основе квантово усовершенствованной технологии радара. «Используя запутанность, создаваемую на несколько тысячных градуса выше абсолютного нуля (-273,14°C), мы смогли обнаружить объекты с низкой отражательной способностью при комнатной температуре».
Квантовая технология может превзойти классический маломощный радар
Хотя квантовая запутанность хрупка по своей природе, устройство имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными классическими радарами. Например, при низких уровнях мощности обычные радиолокационные системы страдают от плохой чувствительности, поскольку им трудно отличить излучение, отражаемое объектом, от естественного фонового шума.
Квантовое освещение предлагает решение этой проблемы, поскольку сходство между сигнальными и простыми фотонами, генерируемыми квантовой запутанностью, делает его более эффективным для различения сигнальных фотонов (полученных от интересующего объекта) от шума, генерируемого в окружающей среде.
«Основной смысл наших исследований заключается в том, что квантовое радиолокационное или квантовое микроволновое освещение возможно не только в теории, но и на практике. При сравнении с классическим маломощным детекторы в тех же условиях, мы видим, что при очень низких числах фотонов сигнала квантовое обнаружение может быть лучше».
На протяжении всей истории фундаментальная наука была одним из ключевых факторов инноваций, изменения парадигмы и технологического прорыва. Несмотря на то, что это доказательство концепции, исследование ученых эффективно продемонстрировало новый метод обнаружения, который в некоторых случаях может превосходить классический радар.
«На протяжении всей истории доказательства концепции, такие как демонстрация, которую мы здесь продемонстрировали, часто служили важными вехами в будущем техническом прогрессе. Будет интересно увидеть будущие последствия этого исследования, особенно для микроволновых датчиков ближнего действия», говорят исследователи.
«Этот научный результат стал возможен только благодаря объединению физиков-теоретиков и экспериментаторов, которые руководствуются любопытством о том, как квантовая механика может помочь расширить фундаментальные пределы восприятия. Но чтобы показать свое преимущество в практических ситуациях, нам также понадобится помощь опытных инженеров-электриков, и нам еще предстоит проделать большую работу, чтобы сделать наш результат применимым к реальным задачам обнаружения» — сказал руководитель группы исследователей профессор Йоханнес Финк.
«Microwave quantum illumination using a digital receiver» Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.abb0451