陳根：量子雷達，未來世界的千裡眼
2020-10-18 陳述根本文/陳根
現代人的現代性讓我們更具冒險和求索的精神，讓我們也逐漸揭開了量子物理的神秘面紗。這也讓科學家們產生了許多有趣的創意，比如奧地利科技學院（IST Austria）的一支研究團隊，就介紹了他們的「量子雷達」原型。
要理解量子雷達，就要先理解量子糾纏，量子糾纏描述了一種奇異的狀態，無論相隔多遠，處於糾纏態的一對粒子都能夠緊密聯繫、實時通信。基於此，研究團隊提出了一種「量子雷達」原型。在某些應用場景下，其表現有望超越傳統的雷達。
儘管我們仍不清楚量子糾纏是如何起作用的，但這並不能阻止科學家們積極利用這項物理特性。
傳統雷達的工作原理是發射無線電波或微波，然後接收偵聽各個方向的信號回彈，以清晰描繪出特定區域中的物體。但傳統雷達自身卻存在一定局限，一是發射功率大（幾十千瓦），電磁洩漏大；二是反隱身能力相對較差；三是成像能力相對較弱；四是信號處理複雜，實時性弱。
針對傳統雷達存在的技術難點，量子信息技術存在一定的技術優勢，可以通過與傳統雷達相結合，提升雷達的探測性能。近日，奧地利科技學院、麻省理工和約克大學的物理學家們，就試圖將量子信息技術應用於「量子雷達」上。
首先，研究人員準備了一對糾纏態的光子。其中一個屬於「信號」（signal）光子，另一個則被當做「惰輪」（idler）。
在將信號光子發送到被檢測的物體上時，惰輪光子繼續保持不受任何幹擾的隔離狀態。當信號返回時，它會發生變化、並且對惰輪光子產生即時的影響。
基於此，「量子雷達」設備可通過檢查惰輪光子，來確定該區域中是否存在目標物體。反彈信號時，兩種類型的光子之間會丟失真正的量子糾纏，但保留了足夠的信息來創建可確定物體讀數的籤名特徵（signature）。
儘管這個過程相當脆弱、後續仍需開展大量的實驗。但研究團隊稱，在某些情況下，「量子雷達」的表現比經典雷達更優異。
與低功率雷達相比，這項新技術可從背景噪聲中更有效地挑出目標物體。而除了改進雷達系統，這項新技術最終還有望運用在安全掃描儀以及人體組織的醫學成像等領域。
我們都知道人腦可以直觀體會並形象化理解世界，而人腦直覺的極限就是牛頓體系。想要走進量子物理時代，就需要藉助數學的抽象而非宏觀的經驗。
量子物理的整個發展史像是一場科學家們自己和自己爭執的歷史，幾乎每一個為量子物理作出巨大貢獻的科學家都不可避免地先和自己吵了一架，因為很多被發現的現實在一開始連科學家自己都難以接受。
但也正因為如此，量子物理才不斷發展起來。科學的世界奇異而浪漫，科學世界的大發展也直接作用在了時代的身上。我們唯有擁抱科學，敢於想像，才能把握髮展的規律，尋索到真理和真相，這也是人類獨有的綺麗和將獲得的冒險的快樂。
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