برتری 20 درصدی رادار کوانتومی نسبت به رادار کلاسیک

فناوری‌های کوانتومی، طیف وسیعی از دستگاه‌هایی است که با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی کار می‌کنند. این دستگاه ها می‌توانند در برخی کارها به طور قابل‌توجهی نسبت به دستگاه‌های مشابه کلاسیک خود بهتر عمل کنند. بنابراین، فیزیکدانان و مهندسان در سرتاسر جهان مدت هاست برای دستیابی به “مزیت کوانتومی” (نسبت به رهیافت محاسبات کلاسیکی) سخت در حال تلاش هستند.اخیرا یک گروه تحقیقاتی به نام CNRS در دانشگاه عالی لیون فرانسه ( به فرانسوی: Ecole Normale Supérieure de Lyon)، رادارکوانتومی ساخته اند که می تواند به طور قابل توجهی از همه رادارهای موجود کلاسیک بهتر عمل کند. این رادار جدید، به صورت مقاله در مجله معتبر Nature Physics چاپ و معرفی شده است. این رادار، به طور همزمان حالت فوتون های میکروموجی درهم تنیده کاوش (به انگلیسی: Probe) و آیدلر (به انگلیسی: Idler) را اندازه گیری کند. این در حالی است که فوتون کاوش بعد از  منعکس شدن از اجسام هدف با نویز حرارتی ادغام شده است.بنجامین هارد ( به انگلیسی: Benjamin Huard)، یکی از محققانی که این مطالعه می گوید: “ما در سال 2020 یک مدار ابررسانا اختراع کردیم که علاوه بر تولید درهم تنیدگی قادر بود تا حالات کوانتومی میکروموجی را ذخیره و دستکاری کند و علاوه بر آن تعداد فوتون‌ها را در یک میدان میکروموجی نیز شمارش می کرد. سپس متوجه شدیم که تمام ویژگی‌های مورد نیاز برای مقابله با یکی از بزرگترین چالش‌های مترولوژی کوانتومی میکروموجی را دارد که این چالش نشان دادن یک مزیت کوانتومی در حسگر رادار است.”محققان در مطالعات گذشته، در تلاش برای توسعه رادارهای کوانتومی (که از رادارهای کلاسیکی بهتر عمل می کردند) بودند. این مزیت کوانتومی در نهایت با استفاده از سیستم های نوری محقق شد، اما قبل از این مطالعه هنوز با استفاده از فوتون های میکروموجی به دست نیامده بود.بنابراین، هارد ( به انگلیسی: Huard) و همکارانش اولین کسانی هستند که یک رادار کوانتومی مبتنی بر امواج میکروموجی را توسعه دادند که نسبت به هر فناوری رادارکلاسیکی گزارش شده تا به امروز عملکرد بهتری دارد. رادار آنها با بهره برداری از همبستگی های کوانتومی میان فوتون های میکروموجی که فراتر از مرزهای نظریه های فیزیک کلاسیک است؛ کار می کند.هارد در ادامه می گوید: «رادار ما درهم تنیدگی کوانتومی بین تشدیدگر میکروموجی و فوتون سیگنال ایجاد می کند که این سیگنال به سمت هدفی که توسط نویز میکروموجی زیادی (مانند جو) پنهان شده است، ساطع می‌شود. اگر هدف واقعا وجود داشته باشد، مقدار کمی سیگنال به همراه مقدار زیادی نویز منعکس می شود. سپس دستگاه ما این بخش از سیگنال برگشتی را با میدان ذخیره شده در تشدیدگر ترکیب می کند به گونه ای که بسته به اینکه هدف وجود دارد (یا نه) فوتون های بیشتری (یا کمتری) تولید می کند. در نهایت، یک شمارشگر فوتون میکروموجی داخلی، این فوتون ها را کاوش می کند.”

طرح شماتیک از رادار کوانتومی.

تحقیقات گذشته نشان داد که همبستگی‌های کوانتومی می‌تواند تشخیص رادار را در سناریوهایی (با توان سیگنال و نویز هدف خاص) تا چهار برابر سریع‌تر کند. در ارزیابی های اولیه، رادار کوانتومی میکروموجی توسعه یافته توسط هارد و همکارانش، سرعت تشخیص رادار را تا 20 درصد در مقایسه با رادارهای کلاسیک افزایش داده است.هارد در ادامه گفت: « علیرغم سادگی شرایط عملیاتی بسیار سخت بود که این نمایش را انجام دهیم. ما با یک تک مجهول کار کردیم: وجود یا عدم وجود هدف، و کل آزمایش را در دمای 10mK  و دور از هوای آزاد انجام دادیم. آنچه که من برای کاربردهای مستقیم در رادارهای کوانتومی بسیار دلهره آور می دانم این است که سیگنالی هایی به کوچکی تک فوتون میکروموجی برای مشاهده یک مزیت کوانتومی نیاز است و ما دیدیم که سیگنال اولیه چقدر باید به خوبی با تشدیدگر درهم تنیده شود تا همه چیز مفید واقع شده و خوب کار کند.”هارد و همکارانش مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را انجام دادند و مزیت کوانتومی رادار خود را در طیف وسیعی از پارامترها اندازه‌گیری کردند. این آزمایش‌ها نشان داد که خلوص حالت درهم‌تنیدگی اولیه بین سیگنال کاوش و آیدلر در دستگاهشان می‌تواند یک عامل محدودکننده باشد، که باید هنگام پیاده‌سازی رادار و در تنظیمات دنیای واقعی در نظر گرفته شود.کار اخیر این گروه از محققان، کمک زیادی به تلاش‌های مداوم با هدف بهبود عملکرد فناوری رادار کوانتومی می‌کند. رویکرد زیربنایی عملکردی این کار، می‌تواند الهام‌بخش توسعه رادارهای کوانتومی میکروموجی مشابهی باشد که در آینده می‌توانند به مزیت کوانتومی حتی بیشتری دست یابند.هارد افزود: “من معتقدم که برنامه های کاربردی بیشتری وجود دارد که در انتظار کشف هستند که در آنها این همبستگی های غیر کلاسیک و در عین حال بدون درهم تنیدگی نیز نقش دارند. ما اکنون می‌خواهیم نحوه انجام سنجش میکروموجی را با استفاده از منابع کوانتومی، به عنوان مثال در زمینه رزونانس اسپین الکترون یا تحقیقات آکسیون (به انگلیسی: axion)، بهتر درک کنیم.”