近日，奧地利科學(xué)技術(shù)研究院的物理學(xué)家發(fā)明了一種新的雷達(dá)原型，該原型使用量子糾纏作為目標(biāo)檢測(cè)的方法。量子力學(xué)成功集成到設(shè)備中可能會(huì)對(duì)生物醫(yī)學(xué)和安全行業(yè)產(chǎn)生重大影響，該研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

量子雷達(dá)原型的插圖

量子糾纏是一種物理現(xiàn)象，其中兩個(gè)粒子保持相互連接，共享物理特征，而無(wú)論它們彼此相距多遠(yuǎn)?，F(xiàn)在，來(lái)自?shī)W地利科學(xué)技術(shù)研究院（IST?Austria）的Johannes?Fink教授研究小組的科學(xué)家、來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）和英國(guó)約克大學(xué)的合作者Stefano?Pirandola、以及來(lái)自英國(guó)約克大學(xué)的合作者意大利卡梅里諾大學(xué)已展示了一種稱為微波量子照明的新型檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)利用糾纏的微波光子作為檢測(cè)方法。這個(gè)原型，也稱為量子雷達(dá)，能夠在嘈雜的熱環(huán)境中檢測(cè)物體，而傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)在這種環(huán)境中發(fā)生故障，該技術(shù)在超低功耗生物醫(yī)學(xué)成像和安全掃描儀中具有潛在的應(yīng)用前景。

使用量子糾纏作為一種新的檢測(cè)形式

該設(shè)備背后的工作原理很簡(jiǎn)單：研究人員沒(méi)有使用常規(guī)的微波，而是糾纏了兩組光子，分別稱為“信號(hào)光子”和“閑置光子”?！靶盘?hào)光子”被發(fā)送到感興趣的對(duì)象，而“閑置光子”則相對(duì)隔離地測(cè)量，沒(méi)有干擾和噪聲。當(dāng)“信號(hào)光子”被反射回去時(shí)，信號(hào)與“閑置光子”之間的真實(shí)糾纏消失了，但是少量的相關(guān)性得以保留，從而創(chuàng)建了一個(gè)描述目標(biāo)物體存在與否的特征或圖案，而與物體環(huán)境內(nèi)部的噪聲無(wú)關(guān)。

主要作者沙比爾·巴爾贊耶（Shabir?Barzanjeh）先前研究有助于推動(dòng)量子增強(qiáng)雷達(dá)技術(shù)背后的理論觀念，他說(shuō)：“我們所展示的是微波量子雷達(dá)的概念證明。利用比絕對(duì)零（-273.14°C）高出千分之一度的纏結(jié)，我們已經(jīng)能夠在室溫下檢測(cè)出低反射率的物體?！?/p>

量子技術(shù)可以勝過(guò)傳統(tǒng)的低功率雷達(dá)

盡管量子糾纏本質(zhì)上是易碎的，但該設(shè)備比傳統(tǒng)的經(jīng)典雷達(dá)具有一些優(yōu)勢(shì)。例如，在低功率水平下，傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)通常具有靈敏度差的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冸y以將物體反射的輻射與自然產(chǎn)生的背景輻射噪聲區(qū)分開。量子照明為該問(wèn)題提供了解決方案，因?yàn)樾盘?hào)和閑置光子之間的相似性（由量子糾纏產(chǎn)生）使從環(huán)境中產(chǎn)生的噪聲中區(qū)分出信號(hào)光子（從目標(biāo)物體接收）變得更加有效。

巴爾贊耶現(xiàn)在是卡爾加里大學(xué)的助理教授，他說(shuō)：“我們研究的主要信息是，量子雷達(dá)或量子微波照明不僅在理論上而且在實(shí)踐上都是可能的。以經(jīng)典低功率為基準(zhǔn)在相同條件下的探測(cè)器，我們看到，在非常低的信號(hào)光子數(shù)下，量子增強(qiáng)的探測(cè)可能會(huì)更好?！?/p>

縱觀歷史，基礎(chǔ)科學(xué)一直是創(chuàng)新、范式轉(zhuǎn)變和技術(shù)突破的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一。該小組的研究雖然仍是一個(gè)概念證明，但有效地證明了一種新的檢測(cè)方法，在某些情況下，該方法可能優(yōu)于經(jīng)典雷達(dá)。巴爾贊耶說(shuō)：“縱觀歷史，概念證明（例如我們?cè)诖颂幯菔镜淖C明）通常是未來(lái)技術(shù)進(jìn)步的重要里程碑，很高興看到這項(xiàng)研究對(duì)未來(lái)的意義，特別是對(duì)短距離微波傳感器的意義?！?/p>

最后一位作者兼小組負(fù)責(zé)人約翰尼斯·芬克（Johannes?Fink）教授說(shuō)：“只有將量子物理學(xué)如何幫助推動(dòng)傳感的基本極限的好奇心驅(qū)使的理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家聚在一起，才能取得這一科學(xué)結(jié)果。在實(shí)際情況下，我們還將需要經(jīng)驗(yàn)豐富的電氣工程師的幫助，并且仍然有很多工作要做，以使我們的結(jié)果適用于實(shí)際的檢測(cè)任務(wù)?！?/p>