近日，奧地利科學技術(shù)研究院的物理學家發(fā)明了一種新的雷達原型，該原型使用量子糾纏作為目標檢測的方法。量子力學成功集成到設備中可能會對生物醫(yī)學和安全行業(yè)產(chǎn)生重大影響，該研究發(fā)表在《科學進展》雜志上。

量子雷達原型的插圖

量子糾纏是一種物理現(xiàn)象，其中兩個粒子保持相互連接，共享物理特征，而無論它們彼此相距多遠。現(xiàn)在，來自奧地利科學技術(shù)研究院（IST?Austria）的Johannes?Fink教授研究小組的科學家、來自麻省理工學院（MIT）和英國約克大學的合作者Stefano?Pirandola、以及來自英國約克大學的合作者意大利卡梅里諾大學已展示了一種稱為微波量子照明的新型檢測技術(shù)，該技術(shù)利用糾纏的微波光子作為檢測方法。這個原型，也稱為量子雷達，能夠在嘈雜的熱環(huán)境中檢測物體，而傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)經(jīng)常會在這種環(huán)境中發(fā)生故障，該技術(shù)在超低功耗生物醫(yī)學成像和安全掃描儀中具有潛在的應用前景。

使用量子糾纏作為一種新的檢測形式

該設備背后的工作原理很簡單：研究人員沒有使用常規(guī)的微波，而是糾纏了兩組光子，分別稱為“信號光子”和“閑置光子”?！靶盘柟庾印北话l(fā)送到感興趣的對象，而“閑置光子”則相對隔離地測量，沒有干擾和噪聲。當“信號光子”被反射回去時，信號與“閑置光子”之間的真實糾纏消失了，但是少量的相關(guān)性得以保留，從而創(chuàng)建了一個描述目標物體存在與否的特征或圖案，而與物體環(huán)境內(nèi)部的噪聲無關(guān)。

主要作者沙比爾·巴爾贊耶（Shabir?Barzanjeh）先前研究有助于推動量子增強雷達技術(shù)背后的理論觀念，他說：“我們所展示的是微波量子雷達的概念證明。利用比絕對零（-273.14°C）高出千分之一度的纏結(jié)，我們已經(jīng)能夠在室溫下檢測出低反射率的物體?！?/p>

量子技術(shù)可以勝過傳統(tǒng)的低功率雷達

盡管量子糾纏本質(zhì)上是易碎的，但該設備比傳統(tǒng)的經(jīng)典雷達具有一些優(yōu)勢。例如，在低功率水平下，傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)通常具有靈敏度差的問題，因為它們難以將物體反射的輻射與自然產(chǎn)生的背景輻射噪聲區(qū)分開。量子照明為該問題提供了解決方案，因為信號和閑置光子之間的相似性（由量子糾纏產(chǎn)生）使從環(huán)境中產(chǎn)生的噪聲中區(qū)分出信號光子（從目標物體接收）變得更加有效。

巴爾贊耶現(xiàn)在是卡爾加里大學的助理教授，他說：“我們研究的主要信息是，量子雷達或量子微波照明不僅在理論上而且在實踐上都是可能的。以經(jīng)典低功率為基準在相同條件下的探測器，我們看到，在非常低的信號光子數(shù)下，量子增強的探測可能會更好?！?/p>

縱觀歷史，基礎科學一直是創(chuàng)新、范式轉(zhuǎn)變和技術(shù)突破的關(guān)鍵驅(qū)動力之一。該小組的研究雖然仍是一個概念證明，但有效地證明了一種新的檢測方法，在某些情況下，該方法可能優(yōu)于經(jīng)典雷達。巴爾贊耶說：“縱觀歷史，概念證明（例如我們在此處演示的證明）通常是未來技術(shù)進步的重要里程碑，很高興看到這項研究對未來的意義，特別是對短距離微波傳感器的意義?！?/p>

最后一位作者兼小組負責人約翰尼斯·芬克（Johannes?Fink）教授說：“只有將量子物理學如何幫助推動傳感的基本極限的好奇心驅(qū)使的理論物理學家和實驗物理學家聚在一起，才能取得這一科學結(jié)果。在實際情況下，我們還將需要經(jīng)驗豐富的電氣工程師的幫助，并且仍然有很多工作要做，以使我們的結(jié)果適用于實際的檢測任務?！?/p>