Fysiker vid Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) har uppfunnit en ny radarprototyp som använder kvantinvikling som en metod för objektdetektering. Denna framgångsrika integration av kvantmekanik i enheter kan betydligt påverka den biomedicinska och säkerhetsindustrin. Forskningen publiceras i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Quantum entanglement är ett fysiskt fenomen där två partiklar förblir sammankopplade, dela fysiska egenskaper oavsett hur långt de är från varandra. Nu, forskare från forskargruppen för professor Johannes Fink vid Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) tillsammans med medarbetarna Stefano Pirandola från Massachusetts Institute of Technology (MIT) och University of York, STORBRITANNIEN, och David Vitali från University of Camerino, Italien - har demonstrerat en ny typ av detekteringsteknik som kallas mikrovågs kvantbelysning som använder intrasslade mikrovågsfoton som en detektionsmetod. Prototypen, som också är känd som en kvantradar, kan upptäcka objekt i bullriga termiska miljöer där klassiska radarsystem ofta misslyckas. Tekniken har potentiella tillämpningar för ultralåg biomedicinsk bildbehandling och säkerhetsskannrar.

Använda kvantinvikling som en ny detekteringsform

Arbetsprinciperna bakom enheten är enkla:I stället för att använda konventionella mikrovågor, forskarna trasslar ihop två grupper av fotoner, som kallas signal- och tomgångsfotoner. Signalfotonerna skickas ut mot objektet av intresse, medan tomgångsfotonerna mäts i relativ isolering, fri från störningar och buller. När signalfotonerna reflekteras tillbaka, sann intrassling mellan signalen och tomgångsfotoner går förlorad, men en liten korrelation överlever, skapa en signatur eller ett mönster som beskriver förekomsten eller frånvaron av målobjektet - oavsett buller i miljön.

"Det vi har visat är ett bevis på konceptet för mikrovågs kvantradaren, "säger huvudförfattaren Shabir Barzanjeh, vars tidigare forskning hjälpte till att främja den teoretiska uppfattningen bakom kvantförbättrad radarteknik. "Genom att använda förträngning som genereras vid några tusendelsgrader över en absolut noll (-273,14 ° C), vi har kunnat upptäcka objekt med låg reflektivitet vid rumstemperatur. "

Kvanttekniken kan överträffa klassisk lågeffektsradar

Medan kvantinvikling i sig är skör i naturen, enheten har några fördelar jämfört med konventionella klassiska radar. Till exempel, vid låga effektnivåer, konventionella radarsystem lider vanligtvis av dålig känslighet eftersom de har svårt att skilja strålningen som reflekteras av objektet från naturligt förekommande bakgrundsstrålningsbrus. Kvantbelysning erbjuder en lösning på detta problem eftersom likheterna mellan signalen och lediga fotoner - genererade genom kvantinvikling - gör det mer effektivt att skilja signalfoton (mottagna från objektet av intresse) från bruset som genereras i miljön.

Barzanjeh, som nu är biträdande professor vid University of Calgary, säger, "Huvudbudskapet bakom vår forskning är att kvantradar eller kvantmikrovågsbelysning inte bara är möjlig i teorin, men också i praktiken. Vid jämförelse mot klassiska lågeffektdetektorer under samma förhållanden, vi ser att vid foton med mycket låg signal, kvantförbättrad detektion kan vara överlägsen. "

Genom historien, grundvetenskap har varit en av de viktigaste drivkrafterna för innovation, paradigmskifte och tekniskt genombrott. Även om det fortfarande är ett bevis på konceptet, gruppens forskning har effektivt visat en ny detektionsmetod som, i vissa fall, kan vara överlägsen klassisk radar.

"Genom historien, bevis på konceptet, som den vi har visat här, har ofta fungerat som framstående milstolpar mot framtida tekniska framsteg. Det kommer att bli intressant att se de framtida konsekvenserna av denna forskning, särskilt för mikrovågssensorer med kort räckvidd, säger Barzanjeh.

Sista författaren och gruppledaren professor Johannes Fink säger, "Detta vetenskapliga resultat var bara möjligt genom att sammanföra teoretiska och experimentella fysiker som drivs av nyfikenheten på hur kvantmekanik kan hjälpa till att skjuta de grundläggande gränserna för avkänning. Men för att visa en fördel i praktiska situationer, vi kommer också att behöva hjälp av erfarna elingenjörer, och det återstår mycket arbete att göra vårt resultat tillämpligt på verkliga upptäcktsuppgifter. "