量子雷達:使用量子糾纏作為目標檢測的微波量子照明新型檢測技術

2020-12-03 量子認知

一支由奧地利科學技術研究院、麻省理工學院、英國約克大學、義大利卡梅裡諾大學的科學家聯合組成的一個研究團隊的物理學家發明了一種新的雷達原型，該原型使用量子糾纏作為目標檢測的方法。量子力學成功集成到設備中可能會對生物醫學和安全行業產生重大影響。該研究發表在最近的《科學進展》雜誌上。如下圖所示量子雷達原型。

量子糾纏是一種物理現象，無論彼此相距多遠的兩個粒子保持相互連接，共享物理特徵。該研究團隊展示了一種稱為微波量子照明（microwave quantum illumination）的新型檢測技術，利用糾纏的微波光子作為檢測方法。該原型機也被稱為量子雷達（quantumradar），它能夠在嘈雜的熱環境中檢測物體，而傳統的雷達系統經常會在這種環境中發生故障。該技術在超低功耗生物醫學成像和安全掃描儀中具有潛在的應用。

使用量子糾纏作為一種新的檢測形式

該設備背後的工作原理很簡單：研究人員沒有使用常規的微波，而是糾纏了兩組光子，分別稱為信號光子和閒置光子。信號光子被發送到感興趣的對象，而閒置光子則相對隔離地測量，沒有幹擾和噪聲。當信號光子被反射回去時，信號光子與閒置光子之間的真實糾纏消失了，但是少量的相關性得以保留，從而創建了一個描述目標物體存在或不存在的特徵或圖案，而與環境的噪聲無關。

研究人員說：「我們證明了微波量子雷達的概念。」先前的研究有助於推動量子增強雷達技術背後的理論觀念。 利用比絕對零（-273.14°C）高出千分之一度的纏結，研究人員已經能夠在室溫下檢測出低反射率的物體。

量子技術可勝過傳統的低功率雷達

儘管量子糾纏本質上是脆弱的，但該設備比傳統的經典雷達具有優勢。例如，在低功率水平下，傳統的雷達系統通常具有靈敏度較差的問題，因為它們難以將物體反射的輻射與自然產生的背景輻射噪聲區分開。量子照明技術為該問題提供了解決方案，因為信號光子和閒置光子之間的由量子糾纏產生的相似性能更有效地區分從目標物體接收的信號光子與環境中產生的噪聲。

研究人員說：「通過研究所得到的重要信息是，量子雷達或量子微波照明不僅在理論上而且在實踐上都是可能的。以經典低功率為基準在相同條件下的探測器，在非常低的信號光子數下，量子增強的探測可能會更好。」

該研究團隊的研究雖然仍是一個概念證明，但有效地證明了一種新的檢測方法，在某些情況下，該方法可優於經典雷達。

研究人員表示，「縱觀歷史，概念證明，例如我們在此處所演示的概念證明，通常是未來技術進步的重要裡程碑。很高興看到這項研究對未來所具有的意義，特別是對短距離微波傳感器的意義。」「只有將理論和實驗物理學家召集在一起，才能實現這一科學成果，這是由好奇心驅動的，量子力學如何幫助推動傳感的基本極限。在實際情況下，我們還將需要經驗豐富的電氣工程師的幫助，為使我們的結果適用於現實世界中的檢測任務，仍然有很多工作要做。」

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