Quantenradar – Wikipedia

Posted on by
before-content-x4

Quantenradar ist eine spekulative Fernerkundungstechnologie, die auf quantenmechanischen Effekten wie dem Unsicherheitsprinzip oder der Quantenverschränkung basiert. Allgemein gesagt kann ein Quantenradar als ein Gerät angesehen werden, das im Mikrowellenbereich arbeitet, das Quantenmerkmale aus Sicht der Strahlungsquelle und / oder der Ausgangsdetektion ausnutzt und ein klassisches Gegenstück übertreffen kann. Ein Ansatz basiert auf der Verwendung von Eingangsquantenkorrelationen (insbesondere Quantenverschränkung) in Kombination mit einer geeigneten interferometrischen Quantenerkennung am Empfänger (stark verwandt mit dem Protokoll der Quantenbeleuchtung). Um den Weg für einen technologisch tragfähigen Prototyp eines Quantenradars zu ebnen, müssen eine Reihe experimenteller Herausforderungen gelöst werden, wie in einigen Übersichtsartikeln erörtert.[1][2] Letztere wiesen in den Medien auf “ungenaue Berichterstattung” hin. Gegenwärtige Versuchspläne scheinen auf sehr kurze Entfernungen in der Größenordnung von einem Meter beschränkt zu sein.[3][4] Dies deutet darauf hin, dass potenzielle Anwendungen stattdessen für die Nahüberwachung oder das biomedizinische Scannen gelten könnten.

Konzept hinter einem Mikrowellenmodell[edit]

Ein Mikrowellenmodell eines Quantenradars wurde 2015 von einem internationalen Team vorgeschlagen[5] und basiert auf dem Protokoll der Gaußschen Quantenbeleuchtung.[6] Das Grundkonzept besteht darin, einen Strom verschränkter Photonen mit sichtbarer Frequenz zu erzeugen und in zwei Hälften zu teilen. Eine Hälfte, der “Signalstrahl”, durchläuft eine Umwandlung in Mikrowellenfrequenzen auf eine Weise, die den ursprünglichen Quantenzustand beibehält. Das Mikrowellensignal wird dann wie in einem normalen Radarsystem gesendet und empfangen. Wenn das reflektierte Signal empfangen wird, wird es wieder in sichtbare Photonen umgewandelt und mit der anderen Hälfte des ursprünglich verschränkten Strahls, dem “Leerlaufstrahl”, verglichen.

Obwohl der größte Teil der ursprünglichen Verschränkung aufgrund der Quantendekohärenz verloren geht, wenn sich die Mikrowellen zu den Zielobjekten und zurück bewegen, bleiben immer noch genügend Quantenkorrelationen zwischen dem reflektierten Signal und den Leerlaufstrahlen. Mit einem geeigneten Quantenerkennungsschema kann das System nur die Photonen auswählen, die ursprünglich vom Radar gesendet wurden, und alle anderen Quellen vollständig herausfiltern. Wenn das System vor Ort eingesetzt werden kann, bedeutet dies einen enormen Fortschritt in der Erkennungsfähigkeit.

Eine Möglichkeit, herkömmliche Radarsysteme zu besiegen, besteht darin, Signale auf denselben Frequenzen zu senden, die vom Radar verwendet werden, so dass der Empfänger nicht zwischen seinen eigenen Sendungen und dem Spoofing-Signal (oder “Jamming”) unterscheiden kann. Solche Systeme können jedoch selbst theoretisch nicht wissen, wie der ursprüngliche Quantenzustand des internen Signals des Radars war. Ohne solche Informationen stimmen ihre Sendungen nicht mit dem ursprünglichen Signal überein und werden im Korrelator herausgefiltert. Umweltquellen wie Bodenunordnung und Aurora werden ebenfalls herausgefiltert.

Geschichte[edit]

Einer der ersten Entwürfe für ein Quantenradar wurde 2005 von Edward H. Allen vorgeschlagen, als er vom Verteidigungsunternehmen Lockheed Martin eingesetzt wurde[7][8]. Das Patent für diese Arbeit wurde 2013 erteilt. Ziel war es, ein Radarsystem zu schaffen, das eine bessere Auflösung und höhere Details bietet als das klassische Radar.[9]

2015 wurde von einem internationalen Forscherteam ein weiteres Modell vorgeschlagen:[5] Demonstration eines theoretischen Vorteils gegenüber einem klassischen Aufbau. In diesem Modell des Quantenradars wird die Fernerkundung eines Ziels mit niedrigem Reflexionsvermögen betrachtet, das in einen hellen Mikrowellenhintergrund eingebettet ist und dessen Erkennungsleistung weit über die Fähigkeiten eines klassischen Mikrowellenradars hinausgeht. Durch Verwendung eines geeigneten “elektrooptomechanischen Wandlers” mit Wellenlänge erzeugt dieses Schema eine ausgezeichnete Quantenverschränkung zwischen einem Mikrowellensignalstrahl, der zur Untersuchung des Zielbereichs gesendet wird, und einem optischen Leerlaufstrahl, der zur Detektion zurückgehalten wird. Der aus dem Zielbereich gesammelte Mikrowellenrücklauf wird anschließend in einen optischen Strahl umgewandelt und dann gemeinsam mit dem Leerlaufstrahl gemessen. Eine solche Technik erweitert das leistungsfähige Protokoll der Quantenbeleuchtung[10] zu seiner natürlicheren Spektraldomäne, nämlich Mikrowellenwellenlängen.

2019 wurde ein dreidimensionales Verbesserungsquantenradarprotokoll vorgeschlagen.[11] Es könnte als ein quantenmetrologisches Protokoll zur Lokalisierung eines nicht kooperativen punktförmigen Ziels im dreidimensionalen Raum verstanden werden. Es wurde eine Quantenverschränkung verwendet, um eine Lokalisierungsunsicherheit zu erreichen, die für jede Raumrichtung quadratisch kleiner ist als die, die durch die Verwendung unabhängiger, nicht verschränkter Photonen erreicht werden könnte.

Auf arXiv sind Übersichtsartikel verfügbar, die sich zusätzlich zu den in der obigen Einleitung erwähnten mit der Geschichte und dem Design des Quantenradars befassen.[12][13]

Ein Quantenradar ist mit der aktuellen Technologie nur schwer zu realisieren, obwohl ein vorläufiger experimenteller Prototyp realisiert wurde.[14]

Herausforderungen und Grenzen[edit]

Die experimentelle Implementierung eines echten Quantenradar-Prototyps birgt auch auf kurze Distanz eine Reihe nicht trivialer Herausforderungen. Gemäß den aktuellen Quantenbeleuchtungsdesigns ist ein wichtiger Punkt die Verwaltung des Leerlaufimpulses, der idealerweise gemeinsam mit dem vom potenziellen Ziel zurückkehrenden Signalimpuls erfasst werden sollte. Dies würde jedoch die Verwendung eines Quantenspeichers mit einer langen Kohärenzzeit erfordern, der zu Zeiten arbeiten kann, die mit dem Roundtrip des Signalimpulses vergleichbar sind. Andere Lösungen können die Quantenkorrelationen zwischen Signal- und Leerlaufimpulsen zu stark verschlechtern, bis der Quantenvorteil verschwindet. Dies ist ein Problem, das auch optische Designs der Quantenbeleuchtung betrifft. Zum Beispiel würde das Speichern des Leerlaufimpulses in einer Verzögerungsleitung unter Verwendung einer Standard-Lichtleitfaser das System verschlechtern und die maximale Reichweite eines Quantenbeleuchtungsradars auf etwa 11 km begrenzen.[5] Dieser Wert muss als theoretische Grenze dieses Entwurfs interpretiert werden, nicht zu verwechseln mit einem erreichbaren Bereich. Andere Einschränkungen umfassen die Tatsache, dass aktuelle Quantenentwürfe jeweils nur eine einzelne Polarisation, Azimut, Höhe, Reichweite und Doppler-Bin berücksichtigen.

Medienspekulation über Anwendungen[edit]

Es gibt Medienspekulationen darüber, dass ein Quantenradar auf große Entfernungen Stealth-Flugzeuge erkennen, absichtliche Störversuche herausfiltern und in Bereichen mit hohem Hintergrundrauschen arbeiten könnte, z. B. aufgrund von Bodenstörungen. In Bezug auf das oben Gesagte gibt es erhebliche Medienspekulationen über die Verwendung von Quantenradar als potenzielle Anti-Stealth-Technologie.[15]Stealth-Flugzeuge sind so konzipiert, dass sie Signale vom Radar weg reflektieren, typischerweise indem abgerundete Oberflächen verwendet werden und alles vermieden wird, was einen partiellen Eckreflektor bilden könnte. Dies reduziert die an den Radarempfänger zurückgegebene Signalmenge so, dass das Ziel (idealerweise) im thermischen Hintergrundrauschen verloren geht. Obwohl Stealth-Technologien das ursprüngliche Signal vom Empfänger eines Quantenradars immer noch genauso effektiv reflektieren, ist es die Fähigkeit des Systems, das verbleibende winzige Signal zu trennen, selbst wenn es von anderen Quellen überflutet wird, die es ermöglicht, das Signal herauszusuchen kehren auch von sehr heimlichen Designs zurück. Derzeit sind diese Anwendungen mit großer Reichweite spekulativ und werden nicht durch experimentelle Daten gestützt.

Laut chinesischen staatlichen Medien wurde das erste Quantenradar im August 2016 von China in einer realen Umgebung entwickelt und getestet.[16] In jüngerer Zeit wurde von der University of Waterloo die Erzeugung einer großen Anzahl verschränkter Photonen für die Radarerkennung untersucht. [17]

Verweise[edit]

  1. ^ Pirandola, S; Bardhan, BR; Gehring, T.; Weedbrook, C.; Lloyd, S. (2018). “Fortschritte in der photonischen Quantenerfassung”. Naturphotonik. 12 (12): 724–733. arXiv:1811.01969. Bibcode:2018NaPho..12..724P. doi:10.1038 / s41566-018-0301-6. S2CID 53626745.
  2. ^ Shapiro, Jeffrey (2020). “Die Quantenbeleuchtungsgeschichte”. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 35 (4): 8–20. arXiv:1910.12277. doi:10.1109 / MAES.2019.2957870. S2CID 204976516.
  3. ^ Sandbo Chang, CW.; Vadiraj, AM; Bourassa, J.; Balaji, B.; Wilson, CM (2020). “Quantenverstärktes Rauschradar”. Appl. Phys. Lette. 114 (11): 112601. arXiv:1812.03778. doi:10.1063 / 1.5085002. S2CID 118919613.
  4. ^ Luong, L; Balaji, B.; Sandbo Chang, CW; Ananthapadmanabha Rao, VM; Wilson, C. (2018). “Mikrowellenquantenradar: Eine experimentelle Validierung”. 2018 Internationale Carnahan-Konferenz für Sicherheitstechnologie (ICCST), Montreal, QC: 1–5. doi:10.1109 / CCST.2018.8585630. ISBN 978-1-5386-7931-9. S2CID 56718191.
  5. ^ ein b c Barzanjeh, Shabir; Guha, Saikat; Weedbrook, Christian; Vitali, David; Shapiro, Jeffrey H.; Pirandola, Stefano (27.02.2015). “Mikrowellenquantenbeleuchtung”. Briefe zur körperlichen Überprüfung. 114 (8): 080503. arXiv:1503.00189. Bibcode:2015PhRvL.114h0503B. doi:10.1103 / PhysRevLett.114.080503. PMID 25768743. S2CID 10461842.
  6. ^ Tan, Si-Hui; Erkmen, Baris I.; Giovannetti, Vittorio; Guha, Saikat; Lloyd, Seth; Maccone, Lorenzo; Pirandola, Stefano; Shapiro, Jeffrey H. (2008). “Quantenbeleuchtung mit Gaußschen Zuständen”. Briefe zur körperlichen Überprüfung. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. doi:10.1103 / PhysRevLett.101.253601. PMID 19113706. S2CID 26890855.
  7. ^ Adam, David (2007-03-06). “US-Verteidigungsunternehmen sucht Quantensprung in der Radarforschung”. Der Wächter. London. Abgerufen 2007-03-17.
  8. ^ EP-Zuschuss 1750145Edward H. Allen, “Radarsysteme und -methoden unter Verwendung verschränkter Quantenteilchen”, herausgegeben am 13.03.2013, zugewiesen an Lockheed Martin Corp.
  9. ^ Marco Lanzagorta, Quantenradar, Morgan & Claypool (2011).
  10. ^ Lloyd, Seth (12.09.2008). “Verbesserte Empfindlichkeit der Photodetektion durch Quantenbeleuchtung”. Wissenschaft. 321 (5895): 1463–1465. Bibcode:2008Sci … 321.1463L. doi:10.1126 / science.1160627. ISSN 0036-8075. PMID 18787162. S2CID 30596567.
  11. ^ Maccone, Lorenzo; Ren, Changliang (2020). “Quantenradar”. Briefe zur körperlichen Überprüfung. 124 (20): 200503. arXiv:1905.02672. Bibcode:2020PhRvL.124t0503M. doi:10.1103 / PhysRevLett.124.200503. PMID 32501069. S2CID 146807842.
  12. ^ Sorelli, Giacomo; Treps, Nicolas; Grosshans, Frederic; Boust, Fabrice (2020). “Erkennen eines Ziels mit Quantenverschränkung”. arXiv:2005.07116.
  13. ^ Torromé, Ricardo Gallego; Bekhti-Winkel, Nadya Ben; Knott, Peter (2020). “Einführung in das Quantenradar”. arXiv:2006.14238.
  14. ^ Barzanjeh, S.; Pirandola, S.; Vitali, D.; Fink, JM (2020). “Mikrowellenquantenbeleuchtung mit einem digitalen Empfänger”. Fortschritte in der Wissenschaft. 6 (19): eabb0451. arXiv:1908.03058. Bibcode:2020SciA …. 6B.451B. doi:10.1126 / sciadv.abb0451. ISSN 2375-2548. PMC 7272231. PMID 32548249.
  15. ^ “Könnten Quantenradare Stealth-Flugzeuge aussetzen?”. E & T Magazin. Abgerufen 2020-07-18.
  16. ^ “China sagt, es hat ein heimliches Quantenradar”. RT International. Abgerufen 2018-04-30.
  17. ^ Russon, Mary-Ann (24. April 2018). “Kanada entwickelt Quantenradar zur Erkennung von Stealth-Flugzeugen”. BBC.


after-content-x4