Kvanteradar har blitt demonstrert for første gang

Konseptuell illustrasjon av radar Ms. Tech

En av fordelene med kvanterevolusjonen er evnen til å sanse verden på en ny måte. Den generelle ideen er å bruke de spesielle egenskapene til kvantemekanikken til å gjøre målinger eller produsere bilder som ellers er umulige.

Mye av dette arbeidet gjøres med fotoner. Men når det gjelder det elektromagnetiske spekteret, har kvanterevolusjonen vært litt ensidig. Nesten alle fremskritt innen kvanteberegning, kryptografi, teleportering og så videre har involvert synlig eller nesten synlig lys.

Relatert historie

Beslektet historie Forskere og bedrifter lager ultrasikre kommunikasjonsnettverk som kan danne grunnlaget for et kvanteinternett. Slik fungerer det.

I dag endrer det seg takket være arbeidet til Shabir Barzanjeh ved Institute of Science and Technology Austria og noen få kolleger. Dette teamet har brukt sammenfiltrede mikrobølger for å lage verdens første kvanteradar. Enheten deres, som kan oppdage objekter på avstand ved bruk av bare noen få fotoner, øker utsiktene til snikende radarsystemer som sender ut lite detekterbar elektromagnetisk stråling.

Enheten er i hovedsak enkel. Forskerne lager par med sammenfiltrede mikrobølgefotoner ved hjelp av en superledende enhet kalt en Josephson parametrisk omformer. De stråler det første fotonet, kalt signalfotonet, mot objektet av interesse og lytter etter refleksjonen.

I mellomtiden lagrer de det andre fotonet, kalt tomgangsfotonet. Når refleksjonen kommer, forstyrrer den dette tomgangsfotonet, og skaper en signatur som avslører hvor langt signalfotonet har reist. Voila – kvanteradar!

Denne teknikken har noen viktige fordeler i forhold til konvensjonell radar. Vanlig radar fungerer på lignende måte, men svikter ved lave effektnivåer som involverer et lite antall mikrobølgefotoner. Det er fordi varme gjenstander i miljøet sender ut egne mikrobølger.

I et romtemperaturmiljø utgjør dette en bakgrunn på rundt 1000 mikrobølgefotoner til enhver tid, og disse overvelder det returnerende ekkoet. Dette er grunnen til at radarsystemer bruker kraftige sendere.

Sammenfiltrede fotoner overvinner dette problemet. Signal- og tomgangsfotonene er så like at det er lett å filtrere ut effekten av andre fotoner. Så det blir enkelt å oppdage signalfotonet når det kommer tilbake.

Selvfølgelig er sammenfiltring en skjør egenskap ved kvanteverdenen, og prosessen med refleksjon ødelegger den. Likevel er korrelasjonen mellom signalet og tomgangsfotonene fortsatt sterk nok til å skille dem fra bakgrunnsstøy.

Dette gjør at Barzanjeh og co kan oppdage et romtemperaturobjekt i et romtemperaturmiljø med bare en håndfull fotoner, på en måte som er umulig å gjøre med vanlige fotoner. Vi genererer sammenfiltrede felt ved å bruke en Josephson parametrisk omformer ved millikelvin-temperaturer for å lyse opp et romtemperaturobjekt på en avstand på 1 meter i et prinsippfast radaroppsett, sier de.

Forskerne fortsetter å sammenligne kvanteradaren deres med konvensjonelle systemer som opererer med tilsvarende lave antall fotoner og sier at den overgår dem betydelig, om enn bare over relativt korte avstander.

Det er interessant arbeid som avslører det betydelige potensialet til kvanteradar og en første anvendelse av mikrobølgebasert sammenfiltring. Men det viser også den potensielle anvendelsen av kvantebelysning mer generelt.

En stor fordel er de lave nivåene av elektromagnetisk stråling som kreves. Eksperimentet vårt viser potensialet som en ikke-invasiv skannemetode for biomedisinske applikasjoner, for eksempel for avbildning av menneskelig vev eller ikke-destruktiv rotasjonsspektroskopi av proteiner, sier Barzanjeh og co.

Så er det den åpenbare applikasjonen som en snikende radar som er vanskelig for motstandere å oppdage over bakgrunnsstøy. Forskerne sier at det kan være nyttig for kortdistanse laveffektradarer for sikkerhetsapplikasjoner i lukkede og befolkede miljøer.

Ref: arxiv.org/abs/1908.03058 : Eksperimentell mikrobølgekvantebelysning

gjemme seg