Kvantradar har demonstrerats för första gången

Konceptuell illustration av radar Ms. Tech

En av fördelarna med kvantrevolutionen är förmågan att känna av världen på ett nytt sätt. Den allmänna idén är att använda kvantmekanikens speciella egenskaper för att göra mätningar eller producera bilder som annars är omöjliga.

Mycket av detta arbete görs med fotoner. Men vad gäller det elektromagnetiska spektrumet har kvantrevolutionen varit lite ensidig. Nästan alla framsteg inom kvantberäkning, kryptografi, teleportering och så vidare har involverat synligt eller nästan synligt ljus.

Relaterad berättelse

Relaterad historia Forskare och företag skapar ultrasäkra kommunikationsnätverk som kan ligga till grund för ett kvantinternet. Så här fungerar det.

Idag förändras det tack vare Shabir Barzanjehs arbete vid Institute of Science and Technology Österrike och några kollegor. Detta team har använt intrasslade mikrovågor för att skapa världens första kvantradar. Deras enhet, som kan upptäcka objekt på avstånd med bara några få fotoner, höjer utsikterna för smygande radarsystem som sänder ut lite detekterbar elektromagnetisk strålning.

Enheten är i grunden enkel. Forskarna skapar par av intrasslade mikrovågsfotoner med hjälp av en supraledande enhet som kallas Josephson parametrisk omvandlare. De strålar den första fotonen, kallad signalfotonen, mot föremålet av intresse och lyssnar efter reflektionen.

Under tiden lagrar de den andra fotonen, som kallas tomgångsfotonen. När reflektionen anländer stör den denna tomgångsfoton och skapar en signatur som avslöjar hur långt signalfotonen har färdats. Voila – kvantradar!

Denna teknik har några viktiga fördelar jämfört med konventionell radar. Vanlig radar fungerar på liknande sätt men misslyckas vid låga effektnivåer som involverar ett litet antal mikrovågsfotoner. Det beror på att varma föremål i miljön avger egna mikrovågor.

I en rumstemperatur uppgår detta till en bakgrund på cirka 1 000 mikrovågsfotoner vid vilket ögonblick som helst, och dessa överväldigar det återkommande ekot. Det är därför radarsystem använder kraftfulla sändare.

Intrasslade fotoner övervinner detta problem. Signal- och tomgångsfotonerna är så lika att det är lätt att filtrera bort effekterna av andra fotoner. Så det blir enkelt att upptäcka signalfotonen när den kommer tillbaka.

Naturligtvis är intrassling en bräcklig egenskap hos kvantvärlden, och reflektionsprocessen förstör den. Ändå är korrelationen mellan signalen och tomgångsfotoner fortfarande tillräckligt stark för att skilja dem från bakgrundsbrus.

Detta gör att Barzanjeh och co kan upptäcka ett rumstempererat föremål i en rumstemperatur med bara en handfull fotoner, på ett sätt som är omöjligt att göra med vanliga fotoner. Vi genererar intrasslade fält med hjälp av en Josephson parametrisk omvandlare vid millikelvintemperaturer för att belysa ett rumstemperaturobjekt på ett avstånd av 1 meter i en principiell radaruppställning, säger de.

Forskarna fortsätter att jämföra sin kvantradar med konventionella system som arbetar med liknande låga antal fotoner och säger att den avsevärt överträffar dem, om än bara över relativt korta avstånd.

Det är intressant arbete som avslöjar den betydande potentialen hos kvantradar och en första tillämpning av mikrovågsbaserad intrassling. Men det visar också den potentiella tillämpningen av kvantbelysning mer generellt.

En stor fördel är de låga nivåerna av elektromagnetisk strålning som krävs. Vårt experiment visar potentialen som en icke-invasiv skanningsmetod för biomedicinska tillämpningar, t.ex. för avbildning av mänskliga vävnader eller oförstörande rotationsspektroskopi av proteiner, säger Barzanjeh och co.

Sedan finns det den uppenbara tillämpningen som en smygradar som är svår för motståndare att upptäcka över bakgrundsljud. Forskarna säger att det kan vara användbart för kortdistansradar med låg effekt för säkerhetsapplikationer i slutna och befolkade miljöer.

Ref: arxiv.org/abs/1908.03058 : Experimentell mikrovågskvantbelysning

Dölj