Квантовый радар
Квантовый радар — это спекулятивная технология дистанционного зондирования, основанная на квантово-механических эффектах, таких как принцип неопределенности или квантовая запутанность . В широком смысле квантовый радар можно рассматривать как устройство, работающее в микроволновом диапазоне, которое использует квантовые особенности с точки зрения источника излучения и/или обнаружения выходного сигнала и способно превзойти классический аналог. Один подход основан на использовании входных квантовых корреляций (в частности, квантовой запутанности) в сочетании с подходящим интерферометрическим квантовым обнаружением на приемнике (сильно связанным с протоколом квантового освещения ).
Создание технологически жизнеспособного прототипа квантового радара предполагает решение ряда экспериментальных задач, которые обсуждаются в некоторых обзорных статьях: [1] [2] [3] последний из которых указал на «неточную информацию» в средствах массовой информации. Текущие экспериментальные планы, похоже, ограничены очень короткими дистанциями, порядка одного метра. [4] [5] [6] предполагая, что вместо этого потенциальные приложения могут быть для наблюдения на близком расстоянии или биомедицинского сканирования.
Концепция модели микроволнового диапазона
[ редактировать ]Модель квантового радара микроволнового диапазона была предложена в 2015 году международной командой. [7] и основан на протоколе гауссовского квантового освещения. [8] Основная концепция состоит в том, чтобы создать поток запутанных фотонов видимой частоты и разделить его пополам. Одна половина, «сигнальный луч», преобразуется в микроволновые частоты таким образом, чтобы сохранить исходное квантовое состояние . Затем микроволновый сигнал отправляется и принимается, как в обычной радиолокационной системе. Когда отраженный сигнал принимается, он преобразуется обратно в видимые фотоны и сравнивается с другой половиной исходного запутанного луча, «холостой луч».
Хотя большая часть первоначальной запутанности будет потеряна из-за квантовой декогеренции по мере того, как микроволны движутся к целевым объектам и обратно, между отраженным сигналом и холостыми лучами все равно останется достаточное количество квантовых корреляций. Используя подходящую схему квантового обнаружения, система может выделить только те фотоны, которые изначально были отправлены радаром, полностью отфильтровав любые другие источники. Если систему удастся заставить работать в полевых условиях, это станет огромным шагом вперед в области обнаружения.
Одним из способов борьбы с обычными радиолокационными системами является трансляция сигналов на тех же частотах, что и радар, что делает невозможным для приемника отличить собственные передачи от поддельного сигнала (или «глушения»). Однако такие системы даже теоретически не могут знать, каково было исходное квантовое состояние внутреннего сигнала радара. При отсутствии такой информации их трансляции не будут соответствовать исходному сигналу и будут отфильтрованы в корреляторе. Источники окружающей среды, такие как наземные помехи и полярные сияния , будут аналогичным образом отфильтрованы.
История
[ редактировать ]Одна конструкция была предложена в 2005 году оборонным подрядчиком Lockheed Martin . [9] [10] Патент на эту работу был выдан в 2013 году. Целью было создание радиолокационной системы, обеспечивающей лучшее разрешение и более высокую детализацию, чем мог обеспечить классический радар. [11] Однако эта конструкция теоретически не доказала никакого квантового преимущества или лучшего разрешения.
В 2015 году международная группа исследователей , [7] продемонстрировал первую теоретическую конструкцию квантового радара, способную достичь квантового преимущества по сравнению с классической установкой. В этой модели квантового радара рассматривается дистанционное обнаружение цели с низкой отражательной способностью, которая находится в ярком микроволновом фоне, с производительностью обнаружения, значительно превосходящей возможности классического микроволнового радара. Используя «электрооптомеханический преобразователь» с подходящей длиной волны, эта схема генерирует превосходную квантовую запутанность между лучом микроволнового сигнала, посылаемым для исследования целевой области, и оптическим холостым лучом, сохраняемым для обнаружения. Возвратное микроволновое излучение, собранное из целевой области, впоследствии преобразуется в оптический луч и затем измеряется совместно с холостым лучом. Такая техника расширяет мощный протокол квантового освещения. [12] к его более естественной спектральной области, а именно к микроволновым длинам волн.
В 2019 году был предложен протокол трехмерного усовершенствованного квантового радара. [13] Его можно понимать как протокол квантовой метрологии для локализации некооперативной точечной цели в трехмерном пространстве. Он использовал квантовую запутанность для достижения неопределенности в локализации, которая квадратично меньше для каждого пространственного направления, чем то, чего можно было бы достичь, используя независимые, незапутанные фотоны .
Обзорные статьи, в которых более подробно рассматривается история и конструкция квантового радара, помимо упомянутых во введении выше, доступны на arXiv . [14] [15]
Квантовый радар сложно реализовать с помощью современных технологий, даже несмотря на то, что предварительный экспериментальный прототип уже реализован. [16]
Проблемы и ограничения
[ редактировать ]За экспериментальной реализацией прототипа истинно квантового радара, даже на коротких дистанциях, стоит ряд нетривиальных задач. Согласно современным разработкам квантового освещения,Важным моментом является управление холостым импульсом, который в идеале должен детектироваться совместно с сигнальным импульсом, возвращающимся от потенциальной цели. Однако для этого потребуетсяиспользование квантовой памяти с большим временем когерентности, способной работать за времена, сравнимые с периодом прохождения сигнального импульса. Другие решения могут ухудшить квантовые корреляции между сигналом и холостыми импульсами. до такой степени, что квантовое преимущество может исчезнуть. Эта проблема также затрагивает оптические конструкции квантового освещения. Например, сохранение холостого импульса в линии задержки использование стандартного оптоволокна ухудшит работу системы и ограничит максимальную дальность действия радара квантового освещения примерно до 11 км. [7] Это значение следует интерпретировать как теоретическоепредел этой конструкции, не путать с достижимым диапазоном. Другие ограничения включают тот факт, что современные квантовые конструкции учитывают только одну поляризацию, азимут, угол места и т. д. диапазон, доплеровский бин за раз.
Спекуляции СМИ о приложениях
[ редактировать ]В средствах массовой информации ходят предположения, что квантовый радар может работать на больших расстояниях, обнаруживая самолеты-невидимки, отфильтровывать попытки преднамеренных помех и работать в районах с высоким фоновым шумом, например, из-за наземных помех.В связи с вышеизложенным в средствах массовой информации ходят многочисленные спекуляции об использовании квантового радара в качестве потенциальной технологии защиты от скрытности. [17] Самолеты-невидимки спроектированы так, чтобы отражать сигналы от радара, обычно используя закругленные поверхности и избегая всего, что может образовывать частичный угловой отражатель . Это настолько уменьшает количество сигнала, возвращаемого в приемник радара, что цель (в идеале) теряется в тепловом фоновом шуме . Хотя стелс-технологии по-прежнему будут столь же эффективны при отражении исходного сигнала от приемника квантового радара, именно способность системы выделять оставшийся крошечный сигнал, даже когда он заглушен другими источниками, позволяет ей обнаружить возврат даже из весьма скрытных замыслов. На данный момент эти приложения дальнего действия являются спекулятивными и не подтверждены экспериментальными данными.
Совсем недавно генерацию большого количества запутанных фотонов для радиолокационного обнаружения изучали в Университете Ватерлоо . [18]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пирандола, С; Бардхан, БР; Геринг, Т.; Уидбрук, К.; Ллойд, С. (2018). «Достижения в области фотонного квантового зондирования». Природная фотоника . 12 (12): 724–733. arXiv : 1811.01969 . Бибкод : 2018NaPho..12..724P . дои : 10.1038/s41566-018-0301-6 . S2CID 53626745 .
- ^ Гальего Торроме, Рикардо; Барзандже, Шабир (2023). «Достижения в области квантового радара и квантового лидара». Прогресс в квантовой электронике . 93 : 100497. arXiv : 2310.07198 . doi : 10.1016/j.pquantelec.2023.100497 .
- ^ Шапиро, Джеффри (2020). «История квантового освещения». Журнал IEEE по аэрокосмическим и электронным системам . 35 (4): 8–20. arXiv : 1910.12277 . дои : 10.1109/MAES.2019.2957870 . S2CID 204976516 .
- ^ Сандбо Чанг, CW; Вадирай, AM; Бурасса, Дж.; Баладжи, Б.; Уилсон, CM (2020). «Радар с квантовым шумом». Прил. Физ. Летт . 114 (11): 112601. arXiv : 1812.03778 . дои : 10.1063/1.5085002 . S2CID 118919613 .
- ^ Луонг, Л; Баладжи, Б.; Сандбо Чанг, CW; Анантападманабха Рао, ВМ; Уилсон, К. (2018). «Микроволновой квантовый радар: экспериментальная проверка». Международная Карнаханская конференция по технологиям безопасности (ICCST) , 2018 г. стр. 1–5. дои : 10.1109/CCST.2018.8585630 . ISBN 978-1-5386-7931-9 . S2CID 56718191 .
- ^ Барзандже, Шабир; Пирандола, Стефано; Виталий, Дэвид; Финк, Йоханнес М. (2020). «Микроволновое квантовое освещение с использованием цифрового приёмника» . Достижения науки . 6 (19): eabb0451. arXiv : 1908.03058 . Бибкод : 2020SciA....6..451B . дои : 10.1126/sciadv.abb0451 . ПМЦ 7272231 . ПМИД 32548249 .
- ^ Перейти обратно: а б с Барзандже, Шабир; Гуха, Сайкат; Видбрук, Кристиан; Виталий, Дэвид; Шапиро, Джеффри Х.; Пирандола, Стефано (27 февраля 2015 г.). «Микроволновое квантовое освещение». Письма о физических отзывах . 114 (8): 080503.arXiv : 1503.00189 . Бибкод : 2015PhRvL.114h0503B . doi : 10.1103/PhysRevLett.114.080503 . ПМИД 25768743 . S2CID 10461842 .
- ^ Тан, Си-Хуэй; Эркмен, Барис И.; Джованнетти, Витторио; Гуха, Сайкат; Ллойд, Сет; Макконе, Лоренцо; Пирандола, Стефано; Шапиро, Джеффри Х. (2008). «Квантовое освещение с гауссовскими состояниями». Письма о физических отзывах . 101 (25): 253601. arXiv : 0810.0534 . Бибкод : 2008PhRvL.101y3601T . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.253601 . ПМИД 19113706 . S2CID 26890855 .
- ^ Адам, Дэвид (6 марта 2007 г.). «Американский оборонный подрядчик ожидает качественного скачка в исследованиях радаров» . Хранитель . Лондон . Проверено 17 марта 2007 г.
- ^ Грант EP 1750145 , Эдвард Х. Аллен, «Радиолокационные системы и методы с использованием запутанных квантовых частиц», выдан 13 марта 2013 г., передан Lockheed Martin Corp.
- ^ Марко Ланзагорта, Квантовый радар , Морган и Клейпул (2011).
- ^ Ллойд, Сет (12 сентября 2008 г.). «Повышенная чувствительность фотодетектирования посредством квантового освещения». Наука . 321 (5895): 1463–1465. Бибкод : 2008Sci...321.1463L . дои : 10.1126/science.1160627 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18787162 . S2CID 30596567 .
- ^ Макконе, Лоренцо; Рен, Чанлян (2020). «Квантовый радар». Письма о физических отзывах . 124 (20): 200503. arXiv : 1905.02672 . Бибкод : 2020PhRvL.124t0503M . doi : 10.1103/PhysRevLett.124.200503 . ПМИД 32501069 . S2CID 146807842 .
- ^ Сорелли, Джакомо; Трепс, Николас; Гроссханс, Фредерик; Буст, Фабрис (2020). «Обнаружение цели с помощью квантовой запутанности». arXiv : 2005.07116 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Торроме, Рикардо Гальего; Бехти-Винкель, Надя Бен; Нотт, Питер (2020). «Введение в квантовый радар». arXiv : 2006.14238 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Барзанье, С.; Пирандола, С.; Виталий Д.; Финк, Дж. М. (2020). «Микроволновое квантовое освещение с использованием цифрового приёмника» . Достижения науки . 6 (19): eabb0451. arXiv : 1908.03058 . Бибкод : 2020SciA....6..451B . дои : 10.1126/sciadv.abb0451 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 7272231 . ПМИД 32548249 .
- ^ «Могут ли квантовые радары обнаружить самолеты-невидимки?» . Журнал Э&Т . 18 апреля 2019 года . Проверено 18 июля 2020 г.
- ^ Рассон, Мэри-Энн (24 апреля 2018 г.). «Канада разрабатывает квантовый радар для обнаружения самолетов-невидимок» . Би-би-си .