奧地利科學技術(shù)研究所物理學家發(fā)明了一種新的雷達原型，這種量子雷達使用量子糾纏作為物體探測的一種方法。這種量子力學與設(shè)備的成功集成，可能會對生物醫(yī)學和安全行業(yè)產(chǎn)生重大影響，其研究成果現(xiàn)在發(fā)表在《科學進展》期刊上。

量子糾纏是一種物理現(xiàn)象，通過這種現(xiàn)象，兩個粒子保持相互聯(lián)系，無論彼此相距多遠，都擁有共同的物理特性。

現(xiàn)在，奧地利科學技術(shù)研究所約翰尼斯·芬克教授的研究小組與麻省理工學院(MIT)和英國約克大學的斯特凡諾·皮蘭多拉(Stefano Pirandola)以及意大利卡梅里諾大學大衛(wèi)·維塔利(David Vitali)的合作者展示了一種名為微波量子照明的新型探測技術(shù)，它利用糾纏微波光子作為探測方法，該原型也被稱為量子雷達，能夠在嘈雜的熱環(huán)境中探測物體，而傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)往往會出現(xiàn)故障。該技術(shù)在超低功耗生物醫(yī)學成像和安全掃描儀方面具有潛在的應(yīng)用前景。

量子糾纏作為一種新的探測形式

該裝置背后的工作原理很簡單：研究人員不使用傳統(tǒng)的微波，而是將兩組光子糾纏在一起，這兩組光子被稱為信號光子和閑置光子。信號光子被發(fā)送到目標對象，而空閑光子是在相對隔離的情況下測量，沒有干擾和噪聲。當信號光子被反射回來時，信號和空閑光子之間的真正糾纏會丟失，但仍存在少量的關(guān)聯(lián)，從而創(chuàng)建描述目標對象存在，而與環(huán)境中的噪聲無關(guān)。

研究的主要作者沙比爾·巴爾贊杰(Shabir Barzanjeh)說：我們已經(jīng)證明是微波量子雷達的概念證明，利用絕對零度(-273.14攝氏度)以上千分之幾度產(chǎn)生的糾纏，已經(jīng)能夠在室溫下探測到低反射率的物體。雖然量子糾纏本身是脆弱的，但該裝置比傳統(tǒng)經(jīng)典雷達有一些優(yōu)勢。例如，在低功率水平下，傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)通常靈敏度較低，因為它們難以區(qū)分物體反射的輻射和自然產(chǎn)生的背景輻射噪聲。

量子雷達超越經(jīng)典雷達

量子技術(shù)為這個問題提供了一種解決方案，因為信號和空閑光子（由量子糾纏產(chǎn)生）之間的相似性，使得更有效地區(qū)分（從目標對象接收到的）信號光子和環(huán)境中產(chǎn)生的噪聲?？柤永锎髮W助理教授Barzanjeh說：我們研究背后的主要信息是，量子雷達或量子微波照明不僅在理論上是可能的，而且在實踐中也是可能的。當在同樣的條件下與經(jīng)典低功率探測器進行比較時，在非常低的信號光子數(shù)下，量子雷達檢測可能會更優(yōu)越。

縱觀歷史，基礎(chǔ)科學一直是創(chuàng)新、范式轉(zhuǎn)變和技術(shù)突破的關(guān)鍵驅(qū)動力之一。雖然這仍然是一個概念證明，但該小組的研究已經(jīng)有效地展示了一種新探測方法，在某些情況下，這種方法可能優(yōu)于經(jīng)典雷達。縱觀歷史，像研究人員展示的概念證明，往往是未來技術(shù)進步的重要里程碑。看看這項研究的未來影響，特別是對短程微波傳感器的影響，將是很有趣的。這一科學結(jié)果只有在理論和實驗物理學家聚集在一起才有可能。

這些物理學家受到量子力學如何幫助推動傳感基本極限的好奇心驅(qū)使，但要在實際情況中展示優(yōu)勢，還需要有經(jīng)驗豐富的電氣工程師幫助，要使結(jié)果適用于現(xiàn)實世界的檢測任務(wù)，還有很多工作要做，讓我們期待一個更好的量子世界吧！

博科園｜研究/來自：奧地利科學技術(shù)研究所

研究發(fā)表期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb0451

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