В области прикладных наук сейчас существует направление, посвящённое самым различным квантовым сенсорам. Эти сенсоры используют квантовые эффекты для обнаружения и/или измерения явлений окружающей среды. К ним относятся и квантовые радары, о которых всё чаще можно услышать в последнее время. При этом квантовые эффекты используются в таких системах исключительно для повышения чувствительности. Важно отметить, что речь не идёт о “измерениях одной частицы из пары запутанных, чтобы определить, что случилось со второй”. Это связано с тем, что для квантовой системы, используемой в составе сенсора, не имеет значения, какую “частицу” измеряют – измерение относится ко всей системе в целом. Принцип работы квантового радара достаточно прост: вместо традиционных микроволн ученые запутывают две группы фотонов – сигнальные и холостые.
Сигнальные фотоны направляются к исследуемому объекту, в то время как холостые измеряются в относительной изоляции, вдали от помех. Когда сигнальные фотоны возвращаются, между ними и холостыми уже не сохраняется истинная запутанность, однако остаётся небольшое количество корреляции. По её характеристикам ученые определяют наличие или отсутствие объекта.
В нестрогом виде, идея квантового радара может быть изложена следующим образом. Пусть у нас есть пара запутанных фотонов, тогда мы можем один фотон отправить зондировать пространство в поисках цели, а второй – оставить для последующего использования в измерении, в качестве “эталона”. Измерение принятого сигнала (возможно, отражённого целью) будем проводить после того, как сложим принятый фотон с “эталонным”. При этом в приёмник могут попадать и другие фотоны, из фонового излучения (это – шум). Квантовые эффекты влияют следующим образом: вероятность детектировать запутанный фотон при использовании эталона существенно выше, чем в случае с классической схемой, работающей без использования запутанности. Это приводит к тому, что существенно улучшается отношение сигнал/шум в детекторе целей. Понятно, что классический радар тоже использует фотоны, потому что работает на электромагнитном излучении. На практике, конечно, всё сложнее: предложены схемы и с единичными фотонами, и с потоками запутанных фотонов. Для реализации квантовых эффектов можно использовать оптическую (световую) систему, но есть схемы, в которых оптическая часть при помощи специального резонатора связывается с микроволновым излучением, транслируя квантовые состояния в обоих направлениях. Фактически, эта последняя схема и может быть использована в качестве основы для практического радара, потому что радар, конечно, должен быть с частотой пониже, чем ультрафиолетовый лазер.
Квантовый радар (как, впрочем, и обычный) работает в следующей логике – выбирается некий сектор пространства, измерительная система радара настраивается на этот сектор, производится измерение, а результат служит источником данных для выбора между двумя гипотезами: в рассматриваемом секторе есть цель или её там нет. Всё достаточно просто. Включение в схему квантовой запутанности позволяет с гораздо большей вероятностью правильно угадать фотоны: то есть, отличить вернувшиеся зондирующие фотоны от фотонов, составляющих шум, поступающий на вход приёмника. Но для этого нужен опорный поток запутанных фотонов, который, например, сохраняется в линии оптической задержки на время, необходимое зондирующей половине для полёта до рассматриваемого сектора и обратно. С такой задержкой связаны и проблемы: удерживать опорный “луч” длительное время (а для лазерного излучения “длительно” – измеряется наносекундами) очень сложно, поэтому квантовые радары трудно сделать дальнодействующими.
Другими словами: когда говорят о квантовом радаре, речь идёт лишь о радикальном увеличении чувствительности, и, как следствие, разрешающей способности, относительно классического радиолокатора при той же излучаемой мощности. Почему “лишь”? Потому что научно-фантастических возможностей, эксплуатирующих некую “связь” (нелокальность) между запутанными частицами, у квантового радара нет. Зато квантовые измерения позволяют лучше защититься от помех, в том числе, активных.
Сама идея создания квантовых сенсоров и квантового радара в частности, как ни странно, достаточно старая, относится к концу 50-х годов прошлого века. Но только недавно технологии позволили как-то приблизиться к реализации этой идеи в полевом устройстве. Квантовый радар, действительно, сможет обнаруживать малозаметные цели (“Стелс”) на значительном расстоянии, потому что у него высокая чувствительность (а не потому, что измеряет “одну частицу пары”). Однако он оказывается в том же положении, что и другие решения с высокой чувствительностью: радар может начать видеть крылья комара на расстояниях в десятки километров, поэтому потребуется немало вычислительной мощности, чтобы отфильтровать отметку, соответствующую комариным крыльям.
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
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.
Китайские ученые разработали квантовый радар, способный видеть “невидимое”
Специалисты лаборатории Intelligent Perception Technology Laboratory 14-го института, входящего в состав китайской государственной корпорации China Electronics Technology Group Corporation (CETC) создали первую квантовую радарную систему собственной разработки. В настоящее время уже проведены испытания использованных в радаре технологий квантового обнаружения и методов определения характеристик целей. Эти испытания показали, что в реальных условиях дальность обнаружения и определения целей квантовой радарной установкой составляет более чем 100 километров.
В основе работы квантовой радарной системы лежит явление квантовой запутанности. Оно заключается в том, что воздействие на любую из запутанных квантовых частиц моментально оказывает влияние и на вторую из этих частиц. Квантовые радары в силу своей природы способны обнаруживать летательные аппараты, оснащенные любым набором самых современных стелс-технологий и, в отличие от обычных радаров, их практически невозможно подавить или заглушить существующими методами радиоэлектронного противодействия.
Квантовый радар работает следующим образом: в его недрах создается фотон света, имеющий определенные характеристики. Этот фотон расщепляется оптическим кристаллом на два запутанных фотона A и Б. Фотон А, проходя через специализированный преобразователь, превращается в фотон микроволнового излучения, из которого состоит луч радара. А фотон Б сохраняется на некоторое время в радарной установке. Система детектирования отслеживает изменения квантового состояния фотона Б и определяет то, что произошло с фотонами микроволнового излучения, направленного в сторону цели. По изменениям состояния фотона Б можно определить факт столкновения фотона А с целью, вычислить ориентировочные размеры, форму цели, ее скорость и направление движения.
Квантовые радарные системы вместо традиционных радиоволн используют квантовые частицы, которым абсолютно безразлична специальная форма, покрытие и другие уловки, направленные на минимизацию эффективной отражающей площади или на максимальное поглощение излучения радиочастотного диапазона. За счет того, что в квантовом радаре отсутствует тракт, воспринимающий приходящие извне сигналы, такие радарные системы практически невозможно ни заглушить, ни обмануть при помощи фальшивых сигналов.
Источники: https://hightech.plus/, https://zoom.cnews.ru/, https://dxdt.ru/
