Kwantumradar is voor het eerst gedemonstreerd

Conceptuele afbeelding van radar mevrouw Tech

Een van de voordelen van de kwantumrevolutie is het vermogen om de wereld op een nieuwe manier waar te nemen. Het algemene idee is om de speciale eigenschappen van de kwantummechanica te gebruiken om metingen te doen of afbeeldingen te maken die anders onmogelijk zijn.

Veel van dit werk wordt gedaan met fotonen. Maar wat het elektromagnetische spectrum betreft, is de kwantumrevolutie een beetje eenzijdig geweest. Bijna alle ontwikkelingen op het gebied van kwantumcomputers, cryptografie, teleportatie, enzovoort, hebben te maken met zichtbaar of bijna zichtbaar licht.

Verwant verhaal

Verwant verhaal Onderzoekers en bedrijven creëren ultraveilige communicatienetwerken die de basis kunnen vormen van een kwantuminternet. Dit is hoe het werkt.

Vandaag verandert dat dankzij het werk van Shabir Barzanjeh aan het Institute of Science and Technology Austria en een paar collega's. Dit team heeft verstrengelde microgolven gebruikt om 's werelds eerste kwantumradar te maken. Hun apparaat, dat objecten op afstand kan detecteren met slechts een paar fotonen, verhoogt het perspectief van onopvallende radarsystemen die weinig detecteerbare elektromagnetische straling uitstralen.

Het apparaat is in wezen eenvoudig. De onderzoekers creëren paren verstrengelde microgolffotonen met behulp van een supergeleidend apparaat dat een parametrische converter van Josephson wordt genoemd. Ze stralen het eerste foton, het signaalfoton genaamd, naar het object van interesse en luisteren naar de reflectie.

Ondertussen slaan ze het tweede foton op, het idler-foton. Wanneer de reflectie arriveert, interfereert het met dit inactieve foton, waardoor een handtekening wordt gecreëerd die onthult hoe ver het signaalfoton heeft afgelegd. Voila - kwantumradar!

Deze techniek heeft enkele belangrijke voordelen ten opzichte van conventionele radar. Gewone radar werkt op een vergelijkbare manier, maar faalt bij lage vermogensniveaus waarbij kleine aantallen microgolffotonen betrokken zijn. Dat komt omdat hete objecten in de omgeving zelf microgolven uitzenden.

In een omgeving met kamertemperatuur komt dit neer op een achtergrond van ongeveer 1.000 microgolffotonen op elk moment, en deze overweldigen de terugkerende echo. Daarom gebruiken radarsystemen krachtige zenders.

Verstrengelde fotonen overwinnen dit probleem. De signaal- en idler-fotonen lijken zo op elkaar dat het gemakkelijk is om de effecten van andere fotonen eruit te filteren. Het wordt dus eenvoudig om het signaalfoton te detecteren wanneer het terugkeert.

Natuurlijk is verstrengeling een fragiele eigenschap van de kwantumwereld, en het reflectieproces vernietigt het. Niettemin is de correlatie tussen het signaal en de stilstaande fotonen nog steeds sterk genoeg om ze te onderscheiden van achtergrondruis.

Hierdoor kunnen Barzanjeh en co een object op kamertemperatuur detecteren in een omgeving met kamertemperatuur met slechts een handvol fotonen, op een manier die onmogelijk is met gewone fotonen. We genereren verstrengelde velden met behulp van een Josephson parametrische converter bij millikelvin-temperaturen om een ​​object op kamertemperatuur te verlichten op een afstand van 1 meter in een proof-of-principle-radaropstelling, zeggen ze.

De onderzoekers vergelijken hun kwantumradar verder met conventionele systemen die werken met een vergelijkbaar laag aantal fotonen en zeggen dat het aanzienlijk beter presteert, zij het alleen over relatief korte afstanden.

Dat is interessant werk dat het aanzienlijke potentieel van kwantumradar en een eerste toepassing van op microgolven gebaseerde verstrengeling onthult. Maar het toont ook de mogelijke toepassing van kwantumverlichting in het algemeen aan.

Een groot voordeel is dat er weinig elektromagnetische straling nodig is. Ons experiment toont het potentieel aan als een niet-invasieve scanmethode voor biomedische toepassingen, bijvoorbeeld voor beeldvorming van menselijke weefsels of niet-destructieve rotatiespectroscopie van eiwitten, zeggen Barzanjeh en co.

Dan is er de voor de hand liggende toepassing als een onopvallende radar die voor tegenstanders moeilijk te detecteren is boven achtergrondgeluid. De onderzoekers zeggen dat het nuttig kan zijn voor korteafstands-radar met laag vermogen voor beveiligingstoepassingen in gesloten en bevolkte omgevingen.

Referentie: arxiv.org/abs/1908.03058 : Experimentele Magnetische Kwantumverlichting

zich verstoppen