Фізики з Інституту науки і техніки Австрії (IST Austria) винайшли новий прототип радара, який використовує квантову заплутаність як метод виявлення об'єкта. Ця успішна інтеграція квантової механіки в пристрої може істотно вплинути на біомедичну та охоронну галузі. Дослідження опубліковано в журналі Science Advances.
Квантова заплутаність - це фізичне явище, при якому дві частинки залишаються взаємопов'язаними, незалежно від того, наскільки далеко вони один від одного.
Тепер вчені з дослідницької групи професора Йоханнеса Фінка з Інституту науки і технологій Австрії (IST Austria) разом зі співробітниками Стефано Пірандола з Массачусетського технологічного інституту (MIT) і Університету Йорка, Великобританія, і Девіда Віталі з Університету Камеріно, Італія - продемонстрував новий тип технології виявлення, званий мікрохвильовим квантовим освітленням.
Прототип, який також відомий як квантовий радар, здатний виявляти об'єкти в галасливих теплових середовищах, де класичні радарні системи часто виходять з ладу. Ця технологія може знайти застосування в біомедичних томографів і сканерах з ультра-низьким енергоспоживанням.
Використання квантової заплутаності як нової форми виявлення
Принципи роботи пристрою прості: замість використання звичайних мікрохвиль, дослідники заплутують дві групи фотонів, які називаються сигнальними і неактивними фотонами.
Сигнальні фотони направляються до об'єкта, що цікавить, тоді як неактивними фотони вимірюються у відносній ізоляції, без перешкод і шуму. Коли сигнальні фотони відображаються назад, справжня заплутаність між сигналом і більш слабкими фотонами втрачається, але зберігається невелика кількість кореляції, створюючи сигнатуру або патерн, який описує існування або відсутність цільового об'єкта - незалежно від шуму в навколишньому середовищі.
«Те, що ми продемонстрували, є доказом концепції мікрохвильового квантового радара», - говорить провідний автор роботи Шабір Барзанех, чиє попереднє дослідження допомогло просунути теоретичне поняття, що лежить в основі квантово вдосконаленої технології радара. «Використовуючи заплутаність, створювану на кілька тисячних градуса вище абсолютного нуля (-273,14 ° C), ми змогли виявити об'єкти з низькою відбивною здатністю при кімнатній температурі».
Квантова технологія може перевершити класичний малопотужний радар
Хоча квантова заплутаність тендітна за своєю природою, пристрій має кілька переваг порівняно зі звичайними класичними радарами. Наприклад, при низьких рівнях потужності звичайні радіолокаційні системи страждають від поганої чутливості, оскільки їм важко відрізнити випромінювання, що відбивається об'єктом, від природного фонового шуму.
Квантове освітлення пропонує вирішення цієї проблеми, оскільки схожість між сигнальними і простими фотонами, що генеруються квантовою заплутаністю, робить її більш ефективною для розрізнення сигнальних фотонів (отриманих від цікавого об'єкта) від шуму, що генерується в навколишньому середовищі.
"Основний сенс наших досліджень полягає в тому, що квантове радіолокаційне або квантове мікрохвильове освітлення можливе не тільки в теорії, а й на практиці. При порівнянні з класичним малопотужним детектори в тих же умовах, ми бачимо, що при дуже низьких числах фотонів сигналу квантове виявлення може бути краще ".
Протягом всієї історії фундаментальна наука була одним з ключових факторів інновацій, зміни парадигми і технологічного прориву. Незважаючи на те, що це доказ концепції, дослідження вчених ефективно продемонструвало новий метод виявлення, який в деяких випадках може перевершувати класичний радар.
"Протягом всієї історії докази концепції, такі як демонстрація, яку ми тут продемонстрували, часто служили важливими віхами в майбутньому технічному прогресі. Буде цікаво побачити майбутні наслідки цього дослідження, особливо для мікрохвильових датчиків ближньої дії ", кажуть дослідники.
"Цей науковий результат став можливий тільки завдяки об'єднанню фізиків-теоретиків і експериментаторів, які керуються цікавістю про те, як квантова механіка може допомогти розширити фундаментальні межі сприйняття. Але щоб показати свою перевагу в практичних ситуаціях, нам також знадобиться допомога досвідчених інженерів-електриків, і нам ще належить виконати велику роботу, щоб зробити наш результат застосовним до реальних завдань виявлення ", - сказав керівник групи дослідників професор Йоханнес Фінк.