Согласно закону Стефана-Больцмана любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Чем выше температура, тем выше энергия.
Новая технология использует запутанные микроволновые фотоны в качестве метода обнаружения. Прототип устройства способен обнаруживать объекты в тепловых средах, где классические радиолокационные системы часто выходят из строя.
Дальнейшая разработка технологии квантового зондирования имеет потенциал при неинвазивных методах сканирования, для визуализации тканей человека или для использования в неразрушающей ротационной спектроскопии белков, помимо этого, возможно потенциальное использование, как маломощного радара ближнего действия.
«То, что мы продемонстрировали, является доказательством концепции микроволнового квантового радара», - говорит ведущий автор и во время исследовательского проекта постдока в группе Финка Шабир Барзанех, чье предыдущее исследование помогло продвинуть теоретическое понятие, лежащее в основе квантово-усовершенствованной радиолокационной технологии. «Используя запутанность, создаваемую на несколько тысячных градуса выше абсолютного нуля, мы смогли обнаружить объекты с низкой отражательной способностью при комнатной температуре».
Принципы работы устройства просты: вместо использования обычных микроволн, исследователи запутывают две группы фотонов, которые называются «сигнальными» и «холостыми» фотонами. «Сигнальные» фотоны направляются к интересующему объекту, в то время как «холостые» фотоны измеряются в относительной изоляции, свободной от помех и шума. Когда сигнальные фотоны отражаются обратно, истинная запутанность между сигнальными и холостыми фотонами теряется, но сохраняется небольшая корреляция, создавая сигнатуру или шаблон, который описывает существование или отсутствие целевого объекта - независимо от шума внутри окружение.
Исследователи представили технологию, называемую микроволновым квантовым освещением (от английского microwave quantum illumination) и основанную на запутанных фотонах. При квантовой запутанности две частицы остаются взаимосвязанными вне зависимости от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Это позволяет радару работать даже в условиях сильного теплового шума, в которых классические системы часто неэффективны.
Ученые запутали фотоны при температуре на несколько тысячных градуса выше абсолютного нуля (-273,14 ° C). Одна группа фотонов, называемых сигнальными, отправлялась к объекту, а над другой группой — холостыми фотонами — проводились измерения в условиях без помех и шума. Когда сигнальные фотоны отражаются от объекта, запутанность разрушается, но сохраняется корреляция, по которой можно определить наличие или отсутствие целевого объекта.
Хотя квантовая запутанность сама по себе хрупка по своей природе, устройство имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными классическими радарами.
Автор и руководитель группы Йоханнес Финк: «Этот научный результат стал возможен только благодаря тесному сотрудничеству физиков-теоретиков и экспериментаторов, которым любопытно, как можно использовать квантовую механику для преодоления классических барьеров в сенсорной технологии. Чтобы извлечь выгоду из наших исследований, нужна поддержка опытных инженеров-электриков, потому что еще многое предстоит сделать, прежде чем эта концепция сможет быть применена на практике».
Устройство описано в статье журнала Science Advances.
