Quantentechnologien, eine breite Palette von Geräten, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren, könnten bei einigen Aufgaben klassische Geräte deutlich übertreffen. Deshalb arbeiten Physiker und Ingenieure weltweit hart daran, diesen lange ersehnten „Quantenvorteil“ gegenüber klassischen Rechenansätzen zu erreichen.
Ein Forschungsteam an der Ecole Normale Supérieure de Lyon, CNRS, hat kürzlich ein Quantenradar entwickelt, das alle bestehenden Radare, die auf klassischen Ansätzen basieren, deutlich übertreffen könnte. Dieses neue Radar wurde in einem Artikel vorgestellt, der in veröffentlicht wurde Naturphysikmisst gleichzeitig eine verschränkte Sonde und die Idle-Mikrowellenphotonenzustände, die auftreten, wenn diese Sonde von Zielobjekten reflektiert wird und mit thermischem Rauschen verschmilzt.
„Wir haben im Jahr 2020 einen supraleitenden Schaltkreis erfunden, der unter anderem in der Lage war, Verschränkung zu erzeugen, Mikrowellenquantenzustände zu speichern und zu manipulieren und die Anzahl der Photonen in einem Mikrowellenfeld zu zählen“, sagte Benjamin Huard, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Dann wurde uns klar, dass es über alle Funktionen verfügte, die wir brauchten, um eine der größten Herausforderungen in der Mikrowellen-Quantenmetrologie zu bewältigen: den Nachweis eines Quantenvorteils bei der Radarmessung.“
In mehreren früheren Studien wurde versucht, Quantenradare zu entwickeln, die herkömmliche Radare übertreffen. Dieser Quantenvorteil wurde schließlich mit optischen Systemen realisiert, vor dieser Studie jedoch noch nicht mit Mikrowellenstrahlung.
Damit sind Huard und seine Kollegen die ersten, die ein mikrowellenbasiertes Quantenradar entwickelt haben, das deutlich leistungsfähiger ist als alle bisher bekannten klassischen Radartechnologien. Ihr Radar nutzt die zwischen zwei Mikrowellenstrahlungen eingeprägten Korrelationen, die über die Grenzen klassischer physikalischer Theorien hinausgehen.
„Unser Radar erzeugt eine Quantenverschränkung zwischen einem Mikrowellenresonator und einem Signal, das in Richtung eines Ziels gesendet wird, das durch viel Mikrowellenrauschen verborgen ist, beispielsweise in der Atmosphäre“, erklärte Huard. „Wenn das Ziel tatsächlich existiert, wird es einen winzigen Teil des Signals zusammen mit viel Rauschen reflektieren. Unser Gerät kombiniert dann diesen Bruchteil des interessanten Signals mit dem im Resonator gespeicherten Feld auf eine Weise, die mehr oder weniger Photonen erzeugt, je nachdem, ob das Ziel existiert oder nicht. Schließlich prüft ein eingebauter Mikrowellen-Photonenzähler diese Photonen.“
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Quantenkorrelationen die Radarerkennung in Szenarien mit vergleichbarer Signalleistung und Zielrauschen bis zu viermal schneller machen können. In ersten Auswertungen beschleunigte das von den Forschern entwickelte Mikrowellen-Quantenradar die Radarerkennung im Vergleich zu klassischen Radaren um 20 %.
„Trotz der Einfachheit der Betriebsbedingungen war es sehr schwierig, diese Demonstration zum Laufen zu bringen“, sagte Huard. „Wir arbeiteten mit einer einzigen Unbekannten: der Anwesenheit oder Abwesenheit des Ziels, und wir führten das gesamte Experiment bei 10 mK fernab der Luft durch. Was mich bei direkten Anwendungen in Quantenradaren am meisten entmutigt, ist, dass das Schema Signale von viel weniger als einem Mikrowellenphoton erfordert, um einen Quantenvorteil zu beobachten, und wir haben gesehen, wie sehr das anfängliche Signal rein mit dem Resonator verschränkt sein muss, um etwas Nützliches zu erhalten.“
Huard und seine Kollegen führten eine Reihe von Tests durch, bei denen sie den Quantenvorteil ihres Radars über eine Vielzahl von Parametern maßen. Diese Tests ergaben, dass die Reinheit des anfänglichen verschränkten Zustands zwischen Sonde und Spannrolle in ihrem Gerät ein begrenzender Faktor sein könnte, der bei der Implementierung ihres Radars in realen Umgebungen berücksichtigt werden sollte.
„Was ich am interessantesten finde, ist die Tatsache, dass wir trotz einer Umgebung, die so verrauscht ist, dass die Verschränkung nicht überleben kann, einen Quantenvorteil erzielen können“, sagte Huard. „Es ist ein seltenes Beispiel, bei dem über die klassischen Korrelationen hinaus ausgenutzt werden kann, um sich einen Vorteil zu verschaffen, ohne dass eine Verstrickung verbleibt.“
Die jüngsten Arbeiten dieses Forscherteams tragen wesentlich zu den laufenden Bemühungen bei, die Leistung der Quantenradartechnologie zu verbessern. Der seiner Funktionsweise zugrunde liegende Ansatz könnte in Zukunft die Entwicklung ähnlicher Mikrowellen-Quantenradare anregen, die einen noch größeren Quantenvorteil erzielen können.
„Ich glaube, dass es noch viele weitere Anwendungen gibt, die darauf warten, entdeckt zu werden, bei denen diese nicht-klassischen, aber dennoch verschränkungsfreien Korrelationen eine Rolle spielen“, fügte Huard hinzu. „Wir möchten nun besser verstehen, wie man Mikrowellensensorik mithilfe von Quantenressourcen durchführen kann, beispielsweise im Kontext der Elektronenspinresonanz oder der Axionenforschung.“
Mehr Informationen:
R. Assouly et al, Quantenvorteil im Mikrowellen-Quantenradar, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02113-4.
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