Eine Studie veröffentlicht in Naturkommunikation hebt die Fortschritte hervor, die ein Team unter der Leitung des Akademikers Guo Guangcan und Prof. Sun Fangwen von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinese Academy of Sciences (CAS) in der praktischen Quantensensorik erzielt hat. Das Team nutzte Mikro- und Nano-Quantensensorik, gekoppelt mit lokaler Verstärkung elektromagnetischer Felder im tiefen Subwellenlängenbereich, um die Erkennung von Mikrowellensignalen und die drahtlose Entfernungsmessung zu untersuchen, wobei eine Positionierungsgenauigkeit von 10-4 Wellenlängen erreicht wurde.
Die auf Mikrowellensignalmessung basierende Radarpositionierungstechnologie wird häufig in Aktivitäten wie dem automatischen Fahren, der intelligenten Fertigung, der Gesundheitsüberwachung und der geologischen Erkundung eingesetzt. In dieser Studie kombinierte das Forschungsteam die Quantensensorik von Festkörpersystemen mit Mikro-/Nanoauflösung und tiefer Subwellenlängenlokalisierung elektromagnetischer Felder, um eine hochempfindliche Mikrowellenerkennung und eine hochpräzise Mikrowellenpositionierungstechnologie zu entwickeln.
Die Forscher entwarfen eine zusammengesetzte Mikrowellenantenne, die aus Diamant-Spin-Quantensensoren und Metall-Nanostrukturen besteht, die Mikrowellensignale sammelt und konvergiert, die sich im freien Raum in den Nanoraum ausbreiten. Indem sie den Festkörper-Quantensondenzustand in der lokalen Domäne untersuchten, maßen sie die Mikrowellensignale. Die Methode wandelte die Detektion schwacher Signale im freien Raum in die Detektion elektromagnetischer Feld- und Festkörper-Spin-Wechselwirkungen im Nanomaßstab um und verbesserte die Mikrowellensignal-Messempfindlichkeit von Festkörper-Quantensensoren um 3–4 Größenordnungen.
Um die hochempfindliche Mikrowellenerkennung weiter zu nutzen, um eine hochpräzise Mikrowellenlokalisierung zu erreichen, bauten die Forscher ein Mikrowelleninterferometriegerät auf der Grundlage des Diamant-Quantensensors und erhielten die Phase des reflektierten Mikrowellensignals und die Positionsinformationen des Objekts durch den Festkörper. Zustandsspindetektion des Interferenzergebnisses zwischen dem reflektierten Mikrowellensignal und dem Referenzsignal des Objekts. Basierend auf der kohärenten Wechselwirkung zwischen Festkörper-Spin-Quantensonden und mehrfachen Mikrowellenphotonen erreichten sie eine quantenverstärkte Positionsmessung mit einer Genauigkeit von 10 Mikrometern (etwa ein Zehntausendstel der Wellenlänge).
Im Vergleich zu herkömmlichen Radarsystemen erfordert dieses Quantenmessverfahren keine aktiven Geräte wie Verstärker am Detektionsende, wodurch der Einfluss von elektronischem Rauschen und anderen Faktoren auf die Messgrenze reduziert wird. Die anschließende Forschung wird eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Funklokalisierung, der Abtastrate und anderer Indikatoren auf der Grundlage der Festkörper-Spin-Quantenerfassung sowie die Entwicklung einer praktischen Festkörper-Quantenradar-Lokalisierungstechnologie ermöglichen, die das Leistungsniveau bestehender Radargeräte übertrifft.
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Xiang-Dong Chen et al, Quantum Enhanced Radio Detection and Ranging with Solid Spins, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36929-8