量子雷达:使用量子纠缠作为目标检测的微波量子照明新型检测技术

时间:2020-06-21 04:00 作者:admin 分享到:

一支由奥地利科学技术研究院、麻省理工学院、英国约克大学、意大利卡梅里诺大学的科学家联合组成的一个研究团队的物理学家发明了一种新的雷达原型,该原型使用量子纠缠作为目标检测的方法。量子力学成功集成到设备中可能会对生物医学和安全行业产生重大影响。该研究发表在最近的《科学进展》杂志上。如下图所示量子雷达原型。

量子纠缠是一种物理现象,无论彼此相距多远的两个粒子保持相互连接,共享物理特征。该研究团队展示了一种称为微波量子照明(microwave quantum illumination)的新型检测技术,利用纠缠的微波光子作为检测方法。该原型机也被称为量子雷达(quantumradar),它能够在嘈杂的热环境中检测物体,而传统的雷达系统经常会在这种环境中发生故障。该技术在超低功耗生物医学成像和安全扫描仪中具有潜在的应用。

该设备背后的工作原理很简单:研究人员没有使用常规的微波,而是纠缠了两组光子,分别称为信号光子和闲置光子。信号光子被发送到感兴趣的对象,而闲置光子则相对隔离地测量,没有干扰和噪声。当信号光子被反射回去时,信号光子与闲置光子之间的真实纠缠消失了,但是少量的相关性得以保留,从而创建了一个描述目标物体存在或不存在的特征或图案,而与环境的噪声无关。

研究人员说:“我们证明了微波量子雷达的概念。”先前的研究有助于推动量子增强雷达技术背后的理论观念。 利用比绝对零(-273.14°C)高出千分之一度的缠结,研究人员已经能够在室温下检测出低反射率的物体。

尽管量子纠缠本质上是脆弱的,但该设备比传统的经典雷达具有优势。例如,在低功率水平下,传统的雷达系统通常具有灵敏度较差的问题,因为它们难以将物体反射的辐射与自然产生的背景辐射噪声区分开。量子照明技术为该问题提供了解决方案,因为信号光子和闲置光子之间的由量子纠缠产生的相似性能更有效地区分从目标物体接收的信号光子与环境中产生的噪声。

研究人员说:“通过研究所得到的重要信息是,量子雷达或量子微波照明不仅在理论上而且在实践上都是可能的。以经典低功率为基准在相同条件下的探测器,在非常低的信号光子数下,量子增强的探测可能会更好。”

该研究团队的研究虽然仍是一个概念证明,但有效地证明了一种新的检测方法,在某些情况下,该方法可优于经典雷达。

研究人员表示,“纵观历史,概念证明,例如我们在此处所演示的概念证明,通常是未来技术进步的重要里程碑。很高兴看到这项研究对未来所具有的意义,特别是对短距离微波传感器的意义。”“只有将理论和实验物理学家召集在一起,才能实现这一科学成果,这是由好奇心驱动的,量子力学如何帮助推动传感的基本极限。在实际情况下,我们还将需要经验丰富的电气工程师的帮助,为使我们的结果适用于现实世界中的检测任务,仍然有很多工作要做。”

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