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Nat. Phys.：雷达传感实现量子优势
光子盒研究院
量子技术是一种利用量子力学原理运行的广泛设备，在某些任务上可以大大优于经典设备。因此，全世界的物理学家和工程师都在努力实现这一长期追求的“量子优势”。
里昂高等师范学院、法国国家科学研究中心（CNRS）的一个研究小组最近开发出一种量子雷达，其性能可大大超过所有基于经典方法的现有雷达。《自然物理》（Nature Physics）杂志上发表的一篇论文介绍了这种新型雷达，它能同时测量纠缠探针和该探针从目标物体反射后发生的惰性微波光子态，并与热噪声合并。
“我们在2020年发明了一种超导电路，它能够产生纠缠、存储和操纵微波量子态，并计算微波场中的光子数量。”进行这项研究的研究人员之一Benjamin Huard表示：“我们随后意识到，它具备了解决微波量子计量学最大挑战之一所需的所有功能——在雷达传感中展示量子优势。”
过去有几项研究试图开发出性能优于传统雷达的量子雷达。这种量子优势最终通过光学系统得以实现，但在这项研究之前，还没有人通过微波辐射实现过。
因此，Huard 和他的同事是第一个开发出基于微波的量子雷达的人，这种雷达的性能明显优于迄今为止报道的任何经典雷达技术。他们的雷达利用了两种微波辐射之间的相关性，超越了经典物理学理论的界限。
Huard解释说：“我们的雷达能在微波谐振器和信号之间产生量子纠缠，信号被发射到被大量微波噪声（如大气中的微波噪声）掩盖的目标。如果目标确实存在，它就会在大量噪声中反射出一小部分信号。然后，我们的设备会根据目标是否存在，将这部分有趣的信号与谐振器中存储的场结合起来，产生或多或少的光子。最后，内置的微波光子计数器对这些光子进行探测。”
过去的研究表明，在信号功率和目标噪声相当的情况下，量子相关性可使雷达探测速度提高四倍。在初步评估中，研究人员开发的微波量子雷达与经典雷达相比，雷达探测速度提高了20%。
“尽管操作条件非常简单，但要使这次演示成功是非常困难的。”Huard说：“我们的工作只有一个未知数：目标的存在与否，而且整个实验是在 10 mK 的环境下进行的，远离露天。对于量子雷达的直接应用来说，最让我感到畏惧的是，该方案需要比微波光子小得多的信号才能观察到量子优势，我们看到了初始信号必须与谐振器纯粹纠缠到什么程度才能得到有用的东西。”
Huard和他的同事们进行了一系列测试，在很大的参数范围内测量了他们雷达的量子优势。这些测试表明，在他们的设备中，探针和惰极子之间初始纠缠态的纯度可能是一个限制因素，在实际环境中实施他们的雷达时应该考虑到这一点。
“我觉得最有趣的是，尽管环境非常嘈杂，纠缠无法出现、但我们仍能获得量子优势。”
这一工作极大地促进了目前旨在提高量子雷达技术性能的努力。未来，支撑其运行的方法可能会激发类似微波量子雷达的开发，从而实现更大的量子优势。
对此，Huard补充说：“我相信，还有更多的应用等待着我们去发现，这些非经典但无纠缠的相关性在其中发挥着作用。我们现在希望更好地了解如何利用量子资源进行微波传感，例如在电子自旋共振或轴子研究方面。”
来源：[1]https://arxiv.org/abs/2211.05684[2]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02113-4[3]https://phys.org/news/2023-07-quantum-radar-outperforms-classical.html