Квантовый радар - Quantum radar
Квантовый радар - это умозрительная технология дистанционного зондирования, основанная на квантово-механических эффектах, таких как принцип неопределенности или 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 подход основан на использовании входных квантовых корреляций (в частности, квантовой запутанности) в сочетании с подходящим интерферометрическим квантовым детектированием на приемнике (тесно связанным с протоколом квантового освещения ). Создание технологически жизнеспособного прототипа квантового радара предполагает решение ряда экспериментальных задач, обсуждаемых в некоторых обзорных статьях, в последней из которых указывается на «неточные сообщения» в средствах массовой информации. Текущие экспериментальные проекты, по-видимому, ограничены очень короткими диапазонами, порядка одного метра, предполагая, что потенциальные применения 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 командой и основана на протоколе гауссовского квантового освещения. Основная идея состоит в том, чтобы создать поток запутанных фотонов видимой частоты и разделить его пополам. Одна половина, «сигнальный луч», проходит преобразование в микроволновые частоты таким образом, чтобы сохранить исходное квантовое состояние . Затем микроволновый сигнал отправляется и принимается, как в обычной радиолокационной системе. Когда получен отраженный сигнал, он преобразуется обратно в видимые фотоны и сравнивается с другой половиной исходного запутанного луча, «холостым лучом».
Хотя большая часть первоначальной запутанности будет потеряна из-за квантовой декогеренции по мере того, как микроволны распространяются к целевым объектам и обратно, между отраженным сигналом и холостыми лучами все равно останется 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 обнаружении.
Один из способов победить обычные радиолокационные системы - транслировать сигналы на тех же частотах, которые использует радар, что делает 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 беспорядки на земле и полярные сияния , также будут отфильтрованы.
История
Один проект был предложен в 2005 году оборонным подрядчиком Lockheed Martin . 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. Однако теоретически эта конструкция не доказала никаких квантовых преимуществ или лучшего разрешения.
В 2015 году международная группа исследователей продемонстрировала первую теоретическую конструкцию квантового радара, способного достичь квантового преимущества над классической установкой. В этой модели квантового радара рассматривается дистанционное зондирование цели с низким коэффициентом отражения, которая заключена в яркий микроволновый фон, с характеристиками обнаружения, значительно превосходящими возможности классического микроволнового радара. При использовании подходящего «электрооптомеханического преобразователя» длины волны эта схема генерирует превосходное квантовое запутывание между лучом микроволнового сигнала, отправляемым 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 квантового освещения на более естественную спектральную область, а именно на длины волн микроволнового излучения.
В 2019 году был предложен протокол трехмерного улучшенного квантового радара. Его можно понимать как протокол квантовой метрологии для локализации некооперативной точечной цели в трехмерном пространстве. Он использовал квантовую 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, которые больше углубляются в историю и конструкцию квантовых радаров, в дополнение к статьям, упомянутым во введении выше, доступны на arXiv .
Квантовый радар сложно реализовать с помощью современных технологий, даже несмотря на то, что был реализован предварительный экспериментальный прототип.
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 циклическим прохождением 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. Это значение следует интерпретировать как теоретический предел этой 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
СМИ предполагают, что квантовый радар может работать на больших расстояниях, обнаруживая самолеты-невидимки, отфильтровывать намеренные попытки создания помех и работать в областях с высоким фоновым шумом, например, из-за помех от земли. В связи с вышеизложенным, в средствах массовой информации много спекуляций об использовании квантового радара как потенциальной технологии защиты от малозаметности. Самолеты-невидимки предназначены для отражения сигналов от радара, обычно за счет использования закругленных поверхностей и избегания всего, что может образовывать частичный угловой отражатель . Это уменьшает количество сигнала, возвращаемого приемнику радара, так что цель (в идеале) теряется в тепловом фоновом шуме . 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 скрытных проектов. В настоящее время эти дальнодействующие приложения являются спекулятивными и не подтверждаются экспериментальными данными.
Совсем недавно генерация большого количества запутанных фотонов для радиолокационного обнаружения была изучена Университетом Ватерлоо .