Kvanteradar er blevet demonstreret for første gang

Konceptuel illustration af radar Ms. Tech

En af fordelene ved kvanterevolutionen er evnen til at fornemme verden på en ny måde. Den generelle idé er at bruge kvantemekanikkens særlige egenskaber til at foretage målinger eller producere billeder, der ellers er umulige.

Meget af dette arbejde udføres med fotoner. Men hvad angår det elektromagnetiske spektrum, har kvanterevolutionen været lidt ensidig. Næsten alle fremskridt inden for kvanteberegning, kryptografi, teleportering og så videre har involveret synligt eller nær-synligt lys.

Relateret historie

Relateret historie Forskere og virksomheder skaber ultrasikre kommunikationsnetværk, der kan danne grundlag for et kvanteinternet. Sådan fungerer det.

I dag ændrer det sig takket være arbejdet udført af Shabir Barzanjeh ved Institut for Videnskab og Teknologi Østrig og nogle få kolleger. Dette hold har brugt sammenfiltrede mikrobølger til at skabe verdens første kvanteradar. Deres enhed, som kan detektere objekter på afstand ved hjælp af kun få fotoner, rejser udsigten til snigende radarsystemer, der udsender lidt detekterbar elektromagnetisk stråling.

Enheden er i bund og grund enkel. Forskerne skaber par af sammenfiltrede mikrobølgefotoner ved hjælp af en superledende enhed kaldet en Josephson parametrisk konverter. De stråler den første foton, kaldet signalfotonen, mod objektet af interesse og lytter efter refleksionen.

I mellemtiden gemmer de den anden foton, kaldet tomgangsfoton. Når refleksionen ankommer, forstyrrer den denne tomgangsfoton og skaber en signatur, der afslører, hvor langt signalfotonen har rejst. Voila – kvanteradar!

Denne teknik har nogle vigtige fordele i forhold til konventionel radar. Almindelig radar fungerer på lignende måde, men fejler ved lave effektniveauer, der involverer et lille antal mikrobølgefotoner. Det skyldes, at varme genstande i miljøet udsender deres egne mikrobølger.

I et miljø med stuetemperatur svarer dette til en baggrund på omkring 1.000 mikrobølgefotoner på ethvert tidspunkt, og disse overvælder det tilbagevendende ekko. Det er derfor, radarsystemer bruger kraftige sendere.

Sammenfiltrede fotoner overvinder dette problem. Signal- og tomgangsfotonerne er så ens, at det er let at bortfiltrere virkningerne af andre fotoner. Så det bliver ligetil at detektere signalfotonen, når den vender tilbage.

Selvfølgelig er sammenfiltring en skrøbelig egenskab ved kvanteverdenen, og refleksionsprocessen ødelægger den. Ikke desto mindre er korrelationen mellem signalet og ledige fotoner stadig stærk nok til at skelne dem fra baggrundsstøj.

Dette gør det muligt for Barzanjeh og co at detektere et rumtemperaturobjekt i et stuetemperaturmiljø med kun en håndfuld fotoner, på en måde, som er umulig at gøre med almindelige fotoner. Vi genererer sammenfiltrede felter ved hjælp af en Josephson parametrisk konverter ved millikelvin temperaturer til at belyse et rumtemperaturobjekt i en afstand af 1 meter i et principielt radaropsætning, siger de.

Forskerne fortsætter med at sammenligne deres kvanteradar med konventionelle systemer, der opererer med tilsvarende lave antal fotoner og siger, at den udkonkurrerer dem markant, omend kun over relativt korte afstande.

Det er interessant arbejde, der afslører det betydelige potentiale ved kvanteradar og en første anvendelse af mikrobølgebaseret sammenfiltring. Men det viser også den potentielle anvendelse af kvantebelysning mere generelt.

En stor fordel er de lave niveauer af elektromagnetisk stråling, der kræves. Vores eksperiment viser potentialet som en ikke-invasiv scanningsmetode til biomedicinske anvendelser, for eksempel til billeddannelse af humant væv eller ikke-destruktiv rotationsspektroskopi af proteiner, siger Barzanjeh og co.

Så er der den åbenlyse anvendelse som en snigende radar, der er svær for modstandere at opdage over baggrundsstøj. Forskerne siger, at det kunne være nyttigt for kortrækkende laveffektradarer til sikkerhedsapplikationer i lukkede og befolkede miljøer.

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

skjule