dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Есть целое направление в прикладной науке: квантовые сенсоры. Это сенсоры, использующие квантовые эффекты для обнаружения и/или измерения каких-то явлений окружающего мира. К таким сенсорам относятся и квантовые радары, про которые сейчас можно нередко услышать. При этом квантовые эффекты в таких системах используются для того, чтобы повысить чувствительность, не более. Ни о каких “измерениях одной частицы из пары запутанных, чтобы определить, что случилось со второй” – речи идти не может (потому что для квантовой системы, используемой в составе сенсора, всё равно, какую “частицу” измеряли – измерение относится ко всей системе в целом).

В нестрогом виде, идея квантового радара может быть изложена следующим образом. Пусть у нас есть пара запутанных фотонов, тогда мы можем один фотон отправить зондировать пространство в поисках цели, а второй – оставить для последующего использования в измерении, в качестве “эталона”. Измерение принятого сигнала (возможно, отражённого целью) будем проводить после того, как сложим принятый фотон с “эталонным”. При этом в приёмник могут попадать и другие фотоны, из фонового излучения (это – шум). Квантовые эффекты влияют следующим образом: вероятность детектировать запутанный фотон при использовании эталона существенно выше, чем в случае с классической схемой, работающей без использования запутанности. Это приводит к тому, что существенно улучшается отношение сигнал/шум в детекторе целей. Понятно, что классический радар тоже использует фотоны, потому что работает на электромагнитном излучении. На практике, конечно, всё сложнее: предложены схемы и с единичными фотонами, и с потоками запутанных фотонов. Для реализации квантовых эффектов можно использовать оптическую (световую) систему, но есть схемы, в которых оптическая часть при помощи специального резонатора связывается с микроволновым излучением, транслируя квантовые состояния в обоих направлениях. Фактически, эта последняя схема и может быть использована в качестве основы для практического радара, потому что радар, конечно, должен быть с частотой пониже, чем ультрафиолетовый лазер.

Квантовый радар (как, впрочем, и обычный) работает в следующей логике – выбирается некий сектор пространства, измерительная система радара настраивается на этот сектор, производится измерение, а результат служит источником данных для выбора между двумя гипотезами: в рассматриваемом секторе есть цель или её там нет. Всё достаточно просто. Включение в схему квантовой запутанности позволяет с гораздо большей вероятностью правильно угадать фотоны: то есть, отличить вернувшиеся зондирующие фотоны от фотонов, составляющих шум, поступающий на вход приёмника. Но для этого нужен опорный поток запутанных фотонов, который, например, сохраняется в линии оптической задержки на время, необходимое зондирующей половине для полёта до рассматриваемого сектора и обратно. С такой задержкой связаны и проблемы: удерживать опорный “луч” длительное время (а для лазерного излучения “длительно” – измеряется наносекундами) очень сложно, поэтому квантовые радары трудно сделать дальнодействующими.

Другими словами: когда говорят о квантовом радаре, речь идёт лишь о радикальном увеличении чувствительности, и, как следствие, разрешающей способности, относительно классического радиолокатора при той же излучаемой мощности. Почему “лишь”? Потому что научно-фантастических возможностей, эксплуатирующих некую “связь” (нелокальность) между запутанными частицами, у квантового радара нет. Зато квантовые измерения позволяют лучше защититься от помех, в том числе, активных.

Сама идея создания квантовых сенсоров и квантового радара в частности, как ни странно, достаточно старая, относится к концу 50-х годов прошлого века. Но только недавно технологии позволили как-то приблизиться к реализации этой идеи в полевом устройстве. Квантовый радар, действительно, сможет обнаруживать малозаметные цели (“Стелс”) на значительном расстоянии, потому что у него высокая чувствительность (а не потому, что измеряет “одну частицу пары”). Однако он оказывается в том же положении, что и другие решения с высокой чувствительностью: радар может начать видеть крылья комара на расстояниях в десятки километров, поэтому потребуется немало вычислительной мощности, чтобы отфильтровать отметку, соответствующую комариным крыльям.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2016/09/24/8109/