Osztrák sikerek

Az Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) fizikusai kifejlesztettek egy új radar prototípust, amely a kvantum-összefonódást használja fel a távoli objektumok detektálásához. A kvantummechanika sikeres eszközintegrációja jelentősen befolyásolhatja az orvosbiológiai és biztonsági iparágakat.

A kvantum összefonódás olyan fizikai jelenség, melynek során két részecske összekapcsolódik és egy darabig úgy is maradnak, megosztva fizikai tulajdonságaikat, függetlenül attól, hogy milyen távol kerülnek egymástól.

Johannes Fink, az IST Austria professzora, Stefano Pirandola a Massachusetts Institute of Technology-ból (MIT) és a York University Egyetemről, valamint David Vitali az olaszországi Camerino Egyetemről most bemutattak egy olyan új típusú detektálási technológiát, amelyet mikrohullámú kvantum megvilágításnak neveznek, és amely a kvantum-összefonódás állapotában levő mikrohullámú fotonokat használ fel a detektáláshoz.

A prototípus leírás, amelyet kvantum radarnak is hívnak, zajos termikus környezetben is képes tárgyakat érzékelni, ahol a klasszikus radarrendszerek gyakran kudarcot vallanak. A technológiának - a radarként történő alkalmazás mellett - például az ultra alacsony energiaszinten működő orvosbiológiai képalkotás és a biztonsági szkennerek lehetnek a potenciális alkalmazási területei.

Kvantum-összefonódás mint érzékelő

A készülék mögött meghúzódó működési elv egyszerű: hagyományos mikrohullám használata helyett a kutatók két összefonódott fotoncsoportot hoznak létre, amelyeket jel- és nyugalmi-állapotú fotonoknak hívnak. A jel-fotonokat a szkennelni kívánt objektum felé továbbítják, míg a nyugalmi-fotonokat relatív elszigeteltségben mérik, zavarástól és zajtól mentes környezetben. Amikor a jel-fotonok visszaverődnek, a jel- és a nyugalmi-fotonok közötti valódi összefonódás elveszik, ám egy kis mértékű korreláció fennmarad, aláírást vagy mintát hozva létre, amely információt ad a célobjektum létezéséről vagy hiányáról - teljesen függetlenül a környezeti zajtól.

"Amit demonstráltunk, az a mikrohullámú kvantum-radarok működőképes koncepciójának bizonyítéka" - mondta el Shabir Barzanjeh vezető szerző, akinek korábbi kutatásai segítették elő a kvantum-technológiával továbbfejlesztett radartechnika mögötti elméleti gondolkodást.

"Az abszolút nulla fok (-273,14 ° Celsius) felett néhány ezrelék fokkal létrehozott kvantum-összefonódással képesek voltunk szobahőmérsékleten érzékelni az alacsony rádióhullám-visszaverő képességű tárgyakat."

Lepipálták a hagyományos radarokat

A kvantum-technológia felülmúlta a klasszikus alacsony teljesítményű radart is. Noha a kvantum-összefonódás önmagában törékeny állapot, a készüléknek számos előnye van a hagyományos klasszikus radarokkal szemben. Például alacsony teljesítményszinten, a hagyományos radarrendszerek általában küzdenek az alacsony érzékenységgel, mivel nehezen tudják megkülönböztetni a céltárgy által visszavert sugárzást, a természetben előforduló háttérsugárzás  zajától.

A kvantum megvilágítás megoldást kínál erre a problémára, mivel a jel- és nyugalmi-fotonok közötti hasonlóságok - amelyeket a kvantum-összefonódás generál - hatékonyabbá teszik a a céltárgyról visszaverődő jel-fotonok megkülönböztetését a környezetben keletkező zajtól.

Barzanjeh a University of Calgary egyetemi adjunktusa, így nyilatkozott:

"Kutatásunk fő üzenete az, hogy a kvantum-radar vagy a kvantum-mikrohullámú megvilágítás nemcsak elméletben, hanem a gyakorlatban is lehetséges. Ha összehasonlítjuk a klasszikus alacsony teljesítményű detektorokkal azonos viszonyok közepette, akkor láthatjuk, hogy a rendkívül alacsony jelű fotonszámok esetében a kvantum-alapú detektálás jobb eredményeket ad. "

Noha a kutatás egyelőre csupán egy működőképes koncepció bizonyítéka, a csoport kutatása mindenképpen feltárt egy új detektálási módszert, amely bizonyos esetekben meghaladhatja a klasszikus radar képességeit. "A történelem folyamán az ehhez hasonló koncepciók, gyakran kiemelkedő mérföldkövekként szolgáltak a jövőbeli technológiai fejlődés felé. Érdekes lesz látni ennek a kutatásnak a jövőbeni következményeit, különösen a rövid hatótávolságú mikrohullámú érzékelőknél" - mondta Barzanjeh.

Johannes Fink professzor szavaival: "Ez a tudományos eredmény csak azért vált lehetségessé, mert összehozta az elméleti és a kísérleti fizikusokat, akiket az a kíváncsiság vezetett, hogy megfejtsék, a kvantummechanika hogyan segítheti az érzékelés alapvető határainak kitolását.

A gyakorlati megoldásokhoz tapasztalt villamosmérnökök segítségére is szükségünk lesz , és még sok tennivalónk van annak érdekében, hogy eredményeinket a valós detektálási feladatokban is alkalmazhassuk."

A kutatást a Science Advances folyóiratban tették közzé.

(Forrás: Phys.org Képek: IST Austria, Af.mil, Dickson Lee)