Одно из преимуществ квантовой революции — способность воспринимать мир иным образом. Основная идея заключается в использовании особых свойств квантовой механики для проведения измерений или получения изображений.
Большая часть этой работы выполняется фотонами. Но в области электромагнитного спектра, квантовая революция немного ограничена. Почти все достижения в области квантовых вычислений, криптографии, телепортации и другого были связаны с видимым или практически видимым светом.
Сегодня ситуация изменилась благодаря работе Шабира Барзанджеха (Shabir Barzanjeh) из Института науки и технологии Австрии (Institute of Science and Technology Austria) и нескольких его коллег. Группа исследователей использовала запутанные фотоны микроволнового излучения для создания первого в мире квантового радара. Устройство, способное обнаруживать объекты на расстоянии с помощью нескольких фотонов, повышает вероятность появления скрытых радиолокационных систем, почти не излучающих обнаруживаемое электромагнитное излучение.
Устройство по существу простое. Исследователи создали пары запутанных фотонов микроволнового излучения с помощью сверхпроводящего устройства под названием параметрический преобразователь Джозефсона. На интересующий объект излучается первый фотон, сигнальный, и далее наблюдатели слушают отражение.
В то же время, они хранят второй фотон, холостой. Когда приходит отражение, оно сталкивается с холостым фотоном, создавая сигнатуру, показывающую, как далеко зашёл сигнальный фотон. Это квантовый радар.
Этот метод имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными радарами. Обычный радар работает аналогичным образом, но при низком уровне мощности отражённый от цели полезный сигнал почти невозможно выделить из фонового шума. Так получается, потому что объекты в окружающей среде имеют температуру и испускают собственные фотоны. При комнатной температуре их число составляет около 1000 микроволновых фотонов в любой момент времени, и они подавляют обратное эхо. Поэтому в радиолокационных системах используются мощные передатчики.
Запутанные фотоны преодолевают эту проблему. Сигнальные и холостые фотоны настолько похожи, что их легко отфильтровать от других фотонов. Таким образом, становится легко обнаружить сигнальный фотон, когда он возвращается.
Конечно, запутанность — хрупкое свойство квантового мира, и процесс отражения разрушает его. Тем не менее, корреляция между сигнальными и холостыми фотонами всё ещё достаточно сильна, чтобы отличить их от фонового шума.
Это позволило Барзанджеху и его коллегам обнаружить объект комнатной температуры в среде комнатной температуры с помощью нескольких фотонов, что было бы невозможно сделать при помощи обычных фотонов. «Мы создаём запутанные поля с помощью параметрического преобразователя Джозефсона при температуре в милликельвины для освещения объекта при комнатной температуре на расстоянии 1 метр, это доказательство принципа работы радара», — говорят учёные.
Исследователи продолжают сравнивать свой квантовый радар с обычными системами, работающими с таким же низким количеством фотонов, и утверждают, что он значительно превосходит их, хотя и только на относительно небольших расстояниях.
Это интересная работа, раскрывающая значительный потенциал квантового радара, и первое применение микроволнового замыкания. Но она также показывает потенциальное применение квантовой подсветки в более общих случаях.
Большим преимуществом является низкий уровень необходимого электромагнитного излучения. «Наш эксперимент показывает потенциал неинвазивного метода сканирования для биомедицинских целей, визуализации тканей человека или неразрушающей радиоспектроскопии белков», — говорит Барзанджех.
Кроме того, есть очевидное применение в качестве скрытого радара, сложнообнаружимого противником, так как для стороннего наблюдателя его слабый сигнал неотличим от шума. Исследователи утверждают, что открытый ими принцип может быть полезен для создания маломощных радаров небольшой дальности при обеспечении безопасности в закрытых и густонаселённых районах.
