科学家展示量子雷达原型

奥地利科学与技术研究所(IST奥地利)的物理学家发明了一种新的雷达原型，它使用量子纠缠作为物体探测的一种方法。这种量子力学与设备的成功集成可能会对生物医学和安全行业产生重大影响。这项研究发表在“科学进展”杂志上。量子纠缠是一种物理现象，通过这种现象，两个粒子保持相互联系，无论彼此相距多远，都拥有共同的物理特性。现在，奥地利科学技术研究所(IST奥地利)约翰尼斯·芬克教授的研究小组的科学家与麻省理工学院(MIT)和英国约克大学的斯特凡诺·皮兰多拉(Stefano Pirandola)以及意大利卡梅里诺大学(University Of Camerino)的大卫·维塔利(David Vitali)的合作者展示了一种名为微波量子照明的新型探测技术，它利用纠缠作为一种探测方法。原型，也被称为量子，能够在嘈杂的热环境中探测物体，而传统的雷达系统经常在这些环境中失败。该技术在超低功耗生物医学成像和安全扫描仪方面具有潜在的应用前景。

该装置背后的工作原理很简单：研究人员不使用传统的微波，而是将两组光子纠缠在一起，这两组光子被称为信号光子和闲置光子。信号光子被发送到感兴趣的对象，而空闲光子是在相对隔离的情况下测量的，没有干扰和噪声。当信号光子被反射回来时，信号和空闲光子之间的真正纠缠会丢失，但仍存在少量的关联，从而创建描述目标对象存在或不存在的签名或图案-而与环境中的噪声无关。

我们已经证明的是微波量子雷达的概念证明，主要作者Shabir Barzanjeh说，他之前的研究帮助推进了量子增强雷达技术背后的理论概念。使用在绝对零度(-273.14°C)之上千分之几度产生的纠缠，我们已经能够在室温下探测到低反射率物体。

虽然量子纠缠本身是脆弱的，但该装置比传统的经典雷达有一些优势。例如，在低功率水平下，传统雷达系统通常灵敏度较低，因为它们难以区分物体反射的辐射和自然产生的背景辐射噪声。量子照明提供了这个问题的解决方案，因为信号和由产生的空闲光子之间的相似性使得更有效地区分(从感兴趣的对象接收的)信号光子和环境中产生的噪声。

巴尔赞杰现在是卡尔加里大学的助理教授，他说，我们研究背后的主要信息是，量子雷达或量子微波照明不仅在理论上是可能的，而且在实践中也是可能的。当在相同的条件下与经典的低功率探测器进行基准比较时，我们看到在非常低的信号数下，量子增强的检测可能会更好。

纵观历史，基础科学一直是创新、范式转变和技术突破的关键驱动力之一。虽然这仍然是一个概念验证，但该小组的研究已经有效地展示了一种新的探测方法，在某些情况下，这种方法可能优于经典雷达。

纵观历史，概念的证明，如我们在这里所展示的那样，常常成为未来技术进步的重要里程碑。Barzanjeh说，看看这项研究的未来意义将是很有趣的，特别是对短程微波传感器的影响。

最后一位作者和小组组长约翰尼斯·芬克教授说，这一科学结果只有将理论和实验物理学家聚集在一起才有可能，这些物理学家受到量子力学如何帮助推动传感基本极限的好奇心的驱使。但是要在实际情况中显示出优势，我们还需要有经验的人的帮助，还有很多工作要做，才能使我们的结果适用于现实世界的检测任务。