Vedcom a fyzikom sa podarilo demonštrovať známy princíp radaru, avšak tentokrát za pomoci úplne iného prístupu. K detekcii objektov nevyužili klasické elektromagnetické vlny ale kvantové zapletenie fotónov.

Portál Phys informoval o úspechu vedcov a fyzikov z rakúskeho Inštitútu vedy a techniky (IST Austria), ktorým sa podarilo demonštrovať nový prototyp radaru. Jeho fungovanie podrobne popísali v publikácii zverejnenej v žurnále Science Advances. Novinka totižto nefunguje rovnako ako konvenčné radary, pretože ako metódu na detekciu objektov používa kvantové zapletenie.

Zobraziť celú galériu (3)

Obrázok znázorňujúci kvantové zapletenie, známe aj ako kvantové previazanie. Zdroj: National Institute of Standards and Technology

Kvantové zapletenie je fyzikálny jav, pri ktorom dve častice zostávajú vzájomne prepojené a zdieľajú fyzické vlastnosti bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba vzdialené. V tomto stave v podstate jeden objekt predurčuje pozíciu druhého. Tento jav využíva aj nový typ radaru, pri ktorom vedci a fyzici využili nový typ detekčnej technológie nazývanej mikrovlnná kvantová iluminácia. Tá využíva metódu detekcie objektov pomocou kvantového zapletenia fotónov.

Nová technológia, ktorá poráža konvenčné radarové systémy

Prototyp, ktorý je tiež známy aj ako kvantový radar, je schopný detegovať aj objekty v prostrediach s výskytom tepelného šumu, kde často zlyhávajú klasické radarové systémy. Táto technológia má potenciálne využitie v biomedicíne a bezpečnostných skeneroch s veľmi nízkym výkonom. Kvantový radar totižto namiesto elektromagnetických vĺn zapletie do kvantového stavu dve skupiny fotónov, ktoré vedci nazývajú signalizačné a nečinné fotóny.

Zobraziť celú galériu (3)

(A.) Schematická reprezentácia systému mikrovlnnej kvantovej iluminácie. (B.) Schéma zapojenia experimentálneho zariadenia. Zdroj: Science Advances

Signalizačné fotóny sa vysielajú smerom k predmetu záujmu, zatiaľ čo nečinné fotóny sa merajú v relatívnej izolácii bez rušenia a šumu. Keď sa signalizačné fotóny odrazia späť od predmetu záujmu, stratí sa skutočné zapletenie medzi signalizačnými a nečinnými fotónmi, ale malé množstvo tejto korelácie zostáva zachované. Vytvorí sa tak jedinečný podpis alebo vzor, ​​ktorý opisuje existenciu alebo absenciu cieľového objektu bez ohľadu na šum v prostredí.

„To, čo sme demonštrovali, je dôkaz koncepcie mikrovlnného kvantového radaru,“ povedal hlavný autor Shabir Barzanjeh, ktorého predchádzajúci výskum pomohol posilniť teoretické pozadie kvantovej radarovej technológie. „Použitím zapletenia generovaného o niekoľko tisícin stupňa nad absolútnou nulou (-273,14 ° C) sme dokázali odhaliť objekty s nízkou reflektivitou pri izbovej teplote.“

Nový prototyp funguje efektívne aj v zašumenom prostredí

Aj keď kvantové zapletenie je samo o sebe krehké, nový prototyp má oproti klasickým radarom niekoľko výhod. Napríklad pri nízkych úrovniach výkonu konvenčné radarové systémy zvyčajne trpia zlou citlivosťou, pretože majú problém rozlíšiť žiarenie odrážané od objektu od prirodzene sa vyskytujúceho šumu na pozadí.

Zobraziť celú galériu (3)

Fyzici stojaci za úspešnou demonštráciou kvantového radaru. Naľavo Shabir Barzanjeh (hlavný autor) a napravo Johannes Fink (vedúci skupiny a spoluautor). Zdroj: IST Austria/Anna Stöcher

Kvantová iluminácia ponúka riešenie tohto problému, pretože podobnosť medzi signalizačnými a nečinnými fotónmi, generovanými kvantovým zapletením, poskytuje efektívnejší spôsob rozlíšenia signalizačných fotónov odrazených od predmetu záujmu od šumu prostredia.

„Hlavným posolstvom nášho výskumu je, že kvantové radary alebo kvantová mikrovlnná iluminácia je možná nielen v teoretickej rovine, ale aj v praxi. Pri porovnaní s klasickými nízkoenergetickými detektormi za rovnakých podmienok môžeme vidieť, že aj pri veľmi nízkom počte signalizačných fotónov môže byť vylepšená kvantová detekcia lepšia,“ uviedol Barzanjeh.

Vedci a fyzici tak boli schopní spojiť svoje teoretické a experimentálne poznatky, čo sa ukázalo ako kľúčové pri demonštrácii fungovania kvantového radaru. Zároveň však priznávajú, že bude potrebné uskutočniť ďalšie vylepšenia systému, pri ktorých budú potrebovať aj pomoc od skúsených elektrotechnikov, aby mohli kvantový radar využívať aj v reálnom svete.

„Tento vedecký výsledok bol možný len vďaka spojeniu teoretických a experimentálnych fyzikov, ktorých motivovala zvedavosť ohľadne toho, ako môže kvantová mechanika pomôcť posunúť základné hranice snímania.

V praktických situáciách budeme potrebovať aj pomoc skúsených elektrotechnikov a ešte stále zostáva veľa práce, aby sa náš výsledok mohol uplatniť pri detekčných úlohách v reálnom svete,“ uviedol spoluautor štúdie a vedúci skupiny, Johannes Fink.