奥地利科学技术研究所物理学家发明了一种新的雷达原型,这种量子雷达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,其研究成果现在发表在《科学进展》期刊上。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约翰尼斯·芬克教授的研究小组与麻省理工学院(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,它利用纠缠微波光子作为探测方法,该原型也被称为量子雷达,能够在嘈杂的热环境中探测物体,而传统的雷达系统往往会出现故障。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。

量子纠缠作为一种新的探测形式

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。信号光子被发送到目标对象,而空闲光子是在相对隔离的情况下测量,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,而与环境中的噪声无关。

研究的主要作者沙比尔·巴尔赞杰(Shabir Barzanjeh)说:我们已经证明是微波量子雷达的概念证明,利用绝对零度(-273.14摄氏度)以上千分之几度产生的纠缠,已经能够在室温下探测到低反射率的物体。虽然量子纠缠本身是脆弱的,但该装置比传统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。

量子雷达超越经典雷达

量子技术为这个问题提供了一种解决方案,因为信号和空闲光子(由量子纠缠产生)之间的相似性,使得更有效地区分(从目标对象接收到的)信号光子和环境中产生的噪声。卡尔加里大学助理教授Barzanjeh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。当在同样的条件下与经典低功率探测器进行比较时,在非常低的信号光子数下,量子雷达检测可能会更优越。

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证明,但该小组的研究已经有效地展示了一种新探测方法,在某些情况下,这种方法可能优于经典雷达。纵观历史,像研究人员展示的概念证明,往往是未来技术进步的重要里程碑。看看这项研究的未来影响,特别是对短程微波传感器的影响,将是很有趣的。这一科学结果只有在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驱使,但要在实际情况中展示优势,还需要有经验丰富的电气工程师帮助,要使结果适用于现实世界的检测任务,还有很多工作要做,让我们期待一个更好的量子世界吧!

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博科园|研究/来自:奥地利科学技术研究所

研究发表期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb0451

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利用量子纠缠原理,超越经典雷达,最新款“量子雷达原型”诞生!

图文简介

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。