Квантовый радар - Quantum radar

Квантовый радар спекулятивный дистанционное зондирование технология, основанная на квантово-механических эффектах, таких как принцип неопределенности или же квантовая запутанность. Вообще говоря, 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 из подходов основан на использовании входных квантовых корреляций (в частности, квантовая запутанность ) в сочетании с подходящим интерферометрическим квантовым детектированием на приемнике (тесно связанным с протоколом квантовое освещение ). Создание технологически жизнеспособного прототипа квантового радара предполагает решение ряда экспериментальных задач, которые обсуждаются в некоторых обзорных статьях,[1][2] последний из них указал на «неточную информацию» в СМИ. Текущие экспериментальные проекты, похоже, ограничиваются очень короткими диапазонами, порядка одного метра,[3][4] предполагая, что потенциальные приложения могут быть вместо этого для наблюдения на близком расстоянии или биомедицинского сканирования.

Концепция модели микроволнового диапазона

Модель квантового радара микроволнового диапазона была предложена в 2015 году международной группой специалистов.[5] и основан на протоколе гауссовского квантовое освещение.[6] Основная идея - создать поток запутанных фотонов видимой частоты и разделить его пополам. Одна половина, "сигнальный луч", преобразуется в микроволновая печь частот таким образом, чтобы сохранить исходное квантовое состояние. Затем микроволновый сигнал отправляется и принимается как в обычном радар система. Когда получен отраженный сигнал, он преобразуется обратно в видимые фотоны и сравнивается с другой половиной исходного запутанного луча, «холостым лучом».

Хотя большая часть первоначального запутывания будет потеряна из-за квантовая декогеренция по мере того как микроволны перемещаются к целевым объектам и обратно, между отраженным сигналом и холостыми лучами все еще будет оставаться достаточное количество квантовых корреляций. Используя подходящую схему квантового обнаружения, система может улавливать только те фотоны, которые изначально были посланы радаром, полностью отфильтровывая любые другие источники. Если систему можно заставить работать в полевых условиях, это означает огромный прогресс в области обнаружения.

Один из способов победить обычные радиолокационные системы - транслировать сигналы на тех же частотах, которые использует радар, делая невозможным для приемника различать свои собственные радиопередачи и сигнал спуфинга (или «глушение»). Однако такие системы не могут знать, даже теоретически, 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 земля беспорядок и Аврора, аналогичным образом будут отфильтрованы.

История

Один из первых проектов квантового радара был предложен Эдвардом Х. Алленом в 2005 году, когда он работал на оборонном подрядчике. Локхид Мартин[7][8]. Патент на эту работу был выдан в 2013 году. Цель заключалась в создании радиолокационной системы, обеспечивающей лучшее разрешение и более высокую детализацию, чем может обеспечить классический радар.[9]

В 2015 году международная группа исследователей предложила другую модель,[5] демонстрируя теоретическое преимущество перед классической установкой. В этой модели квантового радара рассматривается дистанционное зондирование цели с низким коэффициентом отражения, которая находится внутри яркого микроволновая печь фон, с характеристиками обнаружения, значительно превосходящими возможности классических микроволновых радаров. При использовании "электрооптомеханического преобразователя" подходящей длины волны эта схема генерирует отличные квантовая запутанность между лучом микроволнового сигнала, посылаемым для зондирования целевой области, и оптическим холостым лучом, удерживаемым для обнаружения. СВЧ-возврат, собранный из целевой области, впоследствии преобразуется в оптический луч и затем измеряется вместе с холостым лучом. Такой метод расширяет мощный протокол квантовое освещение[10] к его более естественной спектральной области, а именно к длинам волн СВЧ.

В 2019 году был предложен протокол трехмерного улучшения квантового радара.[11] Его можно понимать как протокол квантовой метрологии для локализации некооперативной точечной цели в трехмерном пространстве. Он использовал квантовая запутанность для достижения неопределенности в локализации, которая квадратично меньше для каждого пространственного направления, чем то, что может быть достигнуто с помощью независимых, незапутанных фотонов.

Обзорные статьи, в которых более подробно рассказывается об истории и конструкции квантовых радаров, в дополнение к статьям, упомянутым во введении выше, доступны на сайте arXiv.[12][13]

Квантовый радар сложно реализовать с помощью современных технологий, даже несмотря на то, что был реализован предварительный экспериментальный прототип.[14]

Проблемы и ограничения

Существует ряд нетривиальных проблем, стоящих за экспериментальной реализацией прототипа истинно квантового радара даже на малых расстояниях. Согласно современным конструкциям квантового освещения, важным моментом является управление холостым импульсом, который в идеале должен обнаруживаться совместно с сигнальным импульсом, возвращающимся от потенциальной цели. Однако это потребовало бы использования квантовой памяти с большим временем когерентности, способной работать временами, сравнимыми с круговым обходом сигнального импульса. Другие решения могут слишком сильно ухудшить квантовые корреляции между сигнальными и холостыми импульсами до такой степени, что квантовое преимущество может исчезнуть. Это проблема, которая также влияет на оптические конструкции квантового освещения. Например, сохранение холостого импульса в линии задержки с использованием стандартного оптического волокна приведет к ухудшению работы системы и ограничению максимальной дальности действия радара с квантовым освещением примерно до 11 км.[5] Это значение следует интерпретировать как теоретический предел данной конструкции, а не путать с достижимым диапазоном. Другие ограничения включают тот факт, что современные квантовые конструкции учитывают только одну поляризацию, азимут, угол места, диапазон, доплеровский интервал одновременно.

Спекуляции в СМИ о приложениях

В СМИ высказываются предположения, что квантовый радар может работать на больших расстояниях, обнаруживая самолет-невидимка, отфильтровать преднамеренные заклинивание попытки и работать в областях с высоким фоновым шумом, например, из-за земли беспорядок В связи с вышеизложенным, в средствах массовой информации много спекуляций об использовании квантовых радаров в качестве потенциальной технологии защиты от малозаметности.[15] Самолет-невидимка предназначены для отражения сигналов от радара, как правило, за счет использования закругленных поверхностей и избегания всего, что могло бы образовать частичное угловой отражатель. Это так уменьшает количество сигнала, возвращаемого на приемник радара, так что цель (в идеале) теряется в тепловой фоновый шум. Хотя стелс-технологии по-прежнему будут столь же эффективны при отражении исходного сигнала от приемника квантового радара, именно способность системы отделять оставшийся крошечный сигнал, даже когда он заглушен другими источниками, позволяет ей выделять возврат даже из очень скрытых проектов. В настоящее время эти дальнодействующие приложения являются спекулятивными и не подтверждаются экспериментальными данными.

В соответствии с Китайский государственных СМИ, первый квантовый радар был разработан и испытан Китаем в реальных условиях в августе 2016 года.[16] Совсем недавно генерация большого количества запутанных фотонов для обнаружения радара была изучена Университет Ватерлоо. [17]

Рекомендации

  1. ^ Пирандола, S; Bardhan, B.R .; Геринг, Т .; Weedbrook, C .; Ллойд, С. (2018). «Достижения в области фотонного квантового зондирования». Природа Фотоника. 12 (12): 724–733. arXiv:1811.01969. Bibcode:2018NaPho..12..724P. Дои:10.1038 / s41566-018-0301-6. S2CID  53626745.
  2. ^ Шапиро, Джеффри (2020). «История квантового освещения». Журнал IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 35 (4): 8–20. arXiv:1910.12277. Дои:10.1109 / MAES.2019.2957870. S2CID  204976516.
  3. ^ Sandbo Chang, C.W ..; Vadiraj, A.M .; Bourassa, J .; Balaji, B .; Уилсон, К. (2020). «Квантово-шумовой радар». Appl. Phys. Латыш. 114 (11): 112601. arXiv:1812.03778. Дои:10.1063/1.5085002. S2CID  118919613.
  4. ^ Луонг, L; Balaji, B .; Sandbo Chang, C.W .; Ananthapadmanabha Rao, V.M .; Уилсон, К. (2018). "Микроволновый квантовый радар: экспериментальная проверка". 2018 Международная Карнаханская конференция по технологиям безопасности (ICCST), Монреаль, Квебек: 1–5. Дои:10.1109 / CCST.2018.8585630. ISBN  978-1-5386-7931-9. S2CID  56718191.
  5. ^ а б c Барзандже, Шабир; Гуха, Сайкат; Видбрук, Кристиан; Виталий, Дэвид; Шапиро, Джеффри Х .; Пирандола, Стефано (27 февраля 2015 г.). «Микроволновое квантовое освещение». Письма с физическими проверками. 114 (8): 080503. arXiv:1503.00189. Bibcode:2015ПхРвЛ.114х0503Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.114.080503. PMID  25768743. S2CID  10461842.
  6. ^ Тан, Си-Хуэй; Erkmen, Baris I .; Джованнетти, Витторио; Гуха, Сайкат; Ллойд, Сет; Макконе, Лоренцо; Пирандола, Стефано; Шапиро, Джеффри Х. (2008). «Квантовое освещение с гауссовыми состояниями». Письма с физическими проверками. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.253601. PMID  19113706. S2CID  26890855.
  7. ^ Адам, Дэвид (2007-03-06). «Оборонный подрядчик США стремится к качественному скачку в исследованиях радаров». Хранитель. Лондон. Получено 2007-03-17.
  8. ^ EP грант 1750145, Эдвард Х. Аллен, "Радиолокационные системы и методы, использующие запутанные квантовые частицы", выпущенный 13 марта 2013 г., передан Lockheed Martin Corp. 
  9. ^ Марко Ланзагорта, Квантовый радар, Морган и Клейпул (2011).
  10. ^ Ллойд, Сет (2008-09-12). «Повышенная чувствительность фотодетектирования с помощью квантового освещения». Наука. 321 (5895): 1463–1465. Bibcode:2008Научный ... 321.1463L. Дои:10.1126 / science.1160627. ISSN  0036-8075. PMID  18787162. S2CID  30596567.
  11. ^ Макконе, Лоренцо; Рен, Чанлян (2020). «Квантовый радар». Письма с физическими проверками. 124 (20): 200503. arXiv:1905.02672. Bibcode:2020ПхРвЛ.124т0503М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.124.200503. PMID  32501069. S2CID  146807842.
  12. ^ Сорелли, Джакомо; Трепс, Николас; Гроссханс, Фредерик; Буст, Фабрис (2020). «Обнаружение цели с квантовой запутанностью». arXiv:2005.07116. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  13. ^ Торроме, Рикардо Гальего; Бехти-Винкель, Надя Бен; Кнотт, Питер (2020). «Введение в квантовый радар». arXiv:2006.14238. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ Barzanjeh, S .; Pirandola, S .; Виталий, Д .; Финк, Дж. М. (2020). «СВЧ квантовое освещение с помощью цифрового приемника». Достижения науки. 6 (19): eabb0451. arXiv:1908.03058. Bibcode:2020SciA .... 6B.451B. Дои:10.1126 / sciadv.abb0451. ISSN  2375-2548. ЧВК  7272231. PMID  32548249.
  15. ^ «Могут ли квантовые радары обнаруживать самолеты-невидимки?». Журнал E&T. Получено 2020-07-18.
  16. ^ «Китай заявляет, что у него есть квантовый радар, способный уничтожить невидимость». RT International. Получено 2018-04-30.
  17. ^ Руссон, Мэри-Энн (24 апреля 2018 г.). «Канада разрабатывает квантовый радар для обнаружения самолетов-невидимок». BBC.