Квантовый радар превосходит свои классические аналоги

Изобретения квантовой физики помогают ученым в различных областях науки, а не только в квантовых вычислениях. В частности, выяснилось,что квантовые радары помогают детектировать слабые сигналы, что можно применять в биомедицине, геологии и в астрофизике, а также в сфере безопасности.

Классические микроскопические квантовые детекторы помогают обнаруживать слабые магнитные поля, попадающие внутрь экспериментальной установки. Квантовые радары испускают квантовые частицы в коррелированном когерентном состоянии, которые и используются для детектирования. Это явление называется квантовым освещением (Quantum illumination или QI) — оно основано на запутанных фотонах.

Квантовая запутанность подразумевает, что две частицы остаются связанными между собой, даже если между ними большое расстояние. Радар, таким образом, становится неинвазивным — со стороны объекта нельзя выяснить, имело ли место детектирование. Более того, квантовое освещение позволяет радару работать при сильном тепловом шуме, который делает бессмысленными классические системы, и обнаруживать объекты с низкой отражательной способностью. 

Благодаря использованию запутанных фотонов ученые детектировали объекты даже при слабом сигнале

Ученые-физики несколько раз пытались реализовать идею квантового радара на основе оптических фотонов, используя терагерцовые частоты. Группа физиков под руководством Йоханнеса Финка и Шабира Барзание (Австрия) решила изучить микроволновый диапазон с гигагерцовыми частотами в отношении квантового детектирования. В итоге исследования был разработан и протестирован прототип квантового микроволнового радара. Работа опубликована в Science Advances.

Ученые использовали Джозефсоновский осциллятор, который охладили практически до абсолютного нуля (−273,15 °С). Они запутали микроволновые фотоны: каждый из них направлялся по разным каналам. Сигнальный фотон был направлен к объекту, находящемуся при комнатной температуре, второй (холостой) фотон отправлялся к детектору и служил для измерений при отсутствии помех. Сигнальный фотон отражался от объекта при его наличии и попадал в детектор. При отсутствии объекта он покидал экспериментальное поле. То есть пара запутанных фотонов в детекторе говорила о том, что целевой объект обнаружен. Запутанность исследователи проверяли по наличию коррелированного состояния частиц.

Схематическое изображение микроволнового квантового освещения. Квантовый источник генерирует и испускает стационарные запутанные микроволновые поля по двум отдельным каналам. Изображение: S.Barzanjeh, et al./Science Advances, 2020

Систему испытывали в разных условиях. Выяснилось, что метод позволяет детектировать объекты с низкой отражательной способностью, которые не могут обнаружить классические радарные системы — они не способны отличать естественный фоновый шум от излучения, отраженного от объекта. Ученые смогли обнаружить объект на расстоянии до 1 метра при низкой мощности сигнала. Это говорит о больших перспективах использования изобретения в неинвазивном биомедицинском сканировании и в маломощных системах безопасности небольшого радиуса действия.