Natuurkundigen van het Institute of Science and Technology Austria (IST Oostenrijk) hebben een nieuw radarprototype uitgevonden dat kwantumverstrengeling gebruikt als een methode voor objectdetectie. Deze succesvolle integratie van kwantummechanica in apparaten kan een aanzienlijke impact hebben op de biomedische en beveiligingsindustrieën. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Kwantumverstrengeling is een natuurkundig fenomeen waarbij twee deeltjes met elkaar verbonden blijven, fysieke kenmerken delen, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de onderzoeksgroep van professor Johannes Fink aan het Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) samen met medewerkers Stefano Pirandola van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en de University of York, VK, en David Vitali van de Universiteit van Camerino, Italië - hebben een nieuw type detectietechnologie gedemonstreerd, microgolfkwantumverlichting genaamd, die verstrengelde microgolffotonen als detectiemethode gebruikt. Het prototype, die ook bekend staat als een kwantumradar, kan objecten detecteren in lawaaierige thermische omgevingen waar klassieke radarsystemen vaak falen. De technologie heeft potentiële toepassingen voor biomedische beeldvormings- en beveiligingsscanners met ultralaag vermogen.

Kwantumverstrengeling gebruiken als een nieuwe vorm van detectie

De werkingsprincipes achter het apparaat zijn eenvoudig:in plaats van conventionele microgolven te gebruiken, de onderzoekers verstrengelen twee groepen fotonen, die de signaal- en idler-fotonen worden genoemd. De signaalfotonen worden naar het object van interesse gestuurd, terwijl de idler-fotonen relatief geïsoleerd worden gemeten, vrij van interferentie en ruis. Wanneer de signaalfotonen worden teruggekaatst, echte verstrengeling tussen het signaal en de idler-fotonen gaat verloren, maar een kleine hoeveelheid correlatie overleeft, het creëren van een handtekening of patroon dat het bestaan ​​of de afwezigheid van het doelobject beschrijft, ongeacht de ruis in de omgeving.

"Wat we hebben aangetoond is een proof of concept voor de microgolfkwantumradar, " zegt hoofdauteur Shabir Barzanjeh, wiens eerdere onderzoek hielp om het theoretische idee achter de kwantumverbeterde radartechnologie vooruit te helpen. "Met behulp van verstrengeling gegenereerd op een paar duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt (-273,14 ° C), we hebben objecten met een lage reflectiviteit kunnen detecteren bij kamertemperatuur."

Quantumtechnologie kan beter presteren dan klassieke low-power radar

Hoewel kwantumverstrengeling op zichzelf kwetsbaar is, het apparaat heeft enkele voordelen ten opzichte van conventionele klassieke radars. Bijvoorbeeld, bij lage vermogens, conventionele radarsystemen lijden doorgaans aan een slechte gevoeligheid omdat ze moeite hebben om de straling die door het object wordt gereflecteerd te onderscheiden van natuurlijk voorkomende achtergrondstralingsruis. Kwantumverlichting biedt een oplossing voor dit probleem, aangezien de overeenkomsten tussen de signaal- en idler-fotonen - gegenereerd door kwantumverstrengeling - het effectiever maken om de signaalfotonen (ontvangen van het object van belang) te onderscheiden van de ruis die in de omgeving wordt gegenereerd.

Barzanjeh, die nu assistent-professor is aan de Universiteit van Calgary, zegt, "De belangrijkste boodschap achter ons onderzoek is dat kwantumradar of kwantummicrogolfverlichting niet alleen in theorie mogelijk is, maar ook in de praktijk. Wanneer vergeleken met klassieke low-power detectoren in dezelfde omstandigheden, zien we dat bij zeer lage signaalfotongetallen, quantum-enhanced detectie kan superieur zijn."

Door de geschiedenis heen, basiswetenschap is een van de belangrijkste drijvende krachten achter innovatie geweest, paradigmaverschuiving en technologische doorbraak. Hoewel het nog steeds een proof of concept is, het onderzoek van de groep heeft effectief een nieuwe detectiemethode aangetoond die, in sommige gevallen, kan superieur zijn aan de klassieke radar.

"Door de geschiedenis heen concepten, zoals degene die we hier hebben laten zien, hebben vaak gediend als prominente mijlpalen in de richting van toekomstige technologische vooruitgang. Het zal interessant zijn om de toekomstige implicaties van dit onderzoek te zien, in het bijzonder voor microgolfsensoren met een kort bereik, ' zegt Barzanjeh.

Laatste auteur en groepsleider professor Johannes Fink zegt:"Dit wetenschappelijke resultaat was alleen mogelijk door theoretische en experimentele natuurkundigen samen te brengen die worden gedreven door de nieuwsgierigheid naar hoe de kwantummechanica kan helpen om de fundamentele grenzen van detectie te verleggen. Maar om een ​​voordeel te tonen in praktische situaties, we hebben ook de hulp nodig van ervaren elektrotechnici, en er is nog veel werk aan de winkel om ons resultaat toepasbaar te maken voor detectietaken in de echte wereld."