La discusión sobre la tecnología de radar cuántico comienza con lo que se describe como un "par gemelo" de fotones, que son dos fotones. Cada fotón es uno de los dos estados cuánticos que pueden tener propiedades físicas mensurables (posición, momento, espín y polarización), pero el estado de cada partícula depende del estado de la otra partícula, incluso si están separadas una de otra.
Los pares de fotones trenzados generalmente se producen mediante un proceso llamado conversión descendente paramétrica, en el que un rayo láser pasa a través de un cristal no lineal (generalmente borato de beta bario). Este método se utiliza para generar pares de fotones entrelazados en el rango de luz visible. Para aplicaciones de radar cuántico, estos fotones deben convertirse a frecuencias de microondas.
En su artículo "Quantum Enhanced Noise Radar", Chris Wilson, del Instituto de Computación Cuántica (IQC) de la Universidad de Waterloo en Canadá, describe el trabajo que utiliza circuitos superconductores para generar directamente pares de fotones entrelazados en el rango de las microondas. Resultados. Como fuente de microondas cuántica se utiliza un amplificador paramétrico Josephson no degenerado como circuito de microondas en un chip de aluminio superconductor. Uno de los desafíos de este proceso es que debe realizarse en un criostato extremadamente frío.
Teóricamente, puedes obtener el vector de impulso completo del objetivo, no solo su velocidad Doppler, sino también su vector de impulso completo, las tres dimensiones del espacio y las tres dimensiones de aquellas dimensiones en las que se encuentra el objetivo. se está moviendo.
El debate sobre el radar cuántico se ha vuelto más fluido y a menudo aparecen explicaciones o descripciones completamente diferentes de cómo funciona el radar cuántico, al menos en los medios de comunicación en general.
En un método, el proceso comienza cuando se separan pares de fotones entrelazados, un fotón de cada par se envía directamente a lo largo de la ruta de almacenamiento (fotón inactivo) y el fotón emparejado se convierte en frecuencia de microondas (fotón inactivo). fotones) y se transmiten al objetivo como una forma de onda convencional.
La premisa es que cuando los fotones de microondas interactúan con un objetivo, el estado cuántico cambia de alguna manera (como la fase o la polaridad). La señal de retorno reflejada por el objetivo se recibe en la fuente y los fotones se vuelven a convertir a su estado de frecuencia original, que luego se puede comparar con la frecuencia de su par de devanados inactivos sin cambios para proporcionar información sobre lo que encontraron.
Sin embargo, existe otra descripción de la teoría del radar cuántico, que describe un vínculo de "acción extraña de largo alcance" (término acuñado por Albert Einstein) en el que un fotón que divide el par entrelazado se transmite como un "haz de fotones".
En este caso, sin embargo, los fotones transmitidos mantienen de alguna manera una comunicación continua e instantánea con su par de bobinados, independientemente de la distancia entre ellos. Un fotón transmitido no regresa a su fuente, mientras que un fotón no transmitido cambia para ver el entorno en función de su par entrelazado, proporcionando información sobre posibles objetivos que encontró sin ninguna conexión conocida. De ahí la descripción llamada "raro".
Como resultado de su trabajo en el proyecto del radar cuántico, el equipo de Lockheed ha definido dos clases de radares cuánticos (llamados QuDAR).
Sin embargo, como lo describe el Dr. Ned Allen, director científico de Lockheed Martin Corporation (Bethesda, MD), como parte del programa de la Oficina de Tecnología Estratégica (STO) de DARPA de 2005, Lockheed Martin Sid Martin investigó la concepto de "acción fantasma de largo alcance", al que llamaron "radar sin retorno".
Según Allen, creen: “Esto es una desobediencia a la teoría especial de la relatividad de Einstein, que es mucho más precisa y creíble que la física cuántica después de estudiarla durante un período de tiempo y reunirla. grupo de expertos en la materia de universidades y otras entidades científicas importantes, no profundizamos más en el tema porque creíamos que no estaba permitido según las leyes de la física.
Hoy en día, Allen también se da cuenta de que "la física sí lo es". Actualmente se encuentra en un período turbulento y muchas de sus cuestiones están siendo reconsideradas. También señaló: "Si bien no está claro que supiéramos suficiente física para descartarlo por completo, dadas las representaciones físicas disponibles en ese momento, estábamos muy seguros de que aún no había sido reconocido.
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Como resultado de su trabajo en el proyecto del radar cuántico, el equipo de Lockheed definió dos clases de radares cuánticos (llamados QuDAR): la clase 1 es donde todos los efectos cuánticos permanecen en el transmisor/receptor del radar. Donde Clase 2 es la transmisión de "recursos cuánticos" (fotones) desde el punto A al punto B a través de un medio con pérdidas (es decir, la atmósfera).
Allen dijo que se está desarrollando un radar cuántico de Clase 1, "pero no es así". Se llama radar cuántico, pero es la "mejora de la sensibilidad" de los equipos electrónicos en el módulo de transmisión/recepción, como un mejor amplificador de bajo ruido. Jonathan Baugh, profesor asociado del IQC de la Universidad de Waterloo, está de acuerdo: "Éste es uno de los beneficios a corto plazo del desarrollo de sistemas de 'radar cuántico', en los que se pueden utilizar detectores más sensibles y métodos de procesamiento de señales de inspiración cuántica para mejorar la capacidades del radar clásico." "
La tecnología de radar cuántico Clase 1 puede tener un impacto en la detección de objetivos sigilosos. Como señaló Allen: "Desde un punto de vista matemático, el sigilo es simplemente una reducción en la sección transversal del radar (RCS) del objetivo. , porque la decisión sobre si el objetivo puede detectarse es la relación señal-ruido (SNR). Si se mejora la relación señal-ruido reduciendo el ruido interno de un radar transceptor con buenas capacidades cuánticas, se pueden detectar objetivos cada vez más pequeños. El radar cuántico de clase 1 puede ayudar a frustrar algunos métodos sigilosos.
El radar cuántico de clase 2 puede resolver aún más en qué medida los pares entrelazados (fotones inactivos y fotones transmitidos) permanecen coherentes en el tiempo y la distancia. En un caso, los fotones retrodispersados detectados que regresan del objetivo conservarán completamente su coherencia. Esto medirá más aspectos del objetivo que sólo su presencia y el efecto Doppler. Como describe Allen, "las interacciones cuánticas esencialmente miden la presencia de un objeto a lo largo de un número infinito de dimensiones, no sólo amplitud y fase, sino innumerables propiedades del dispositivo cuántico (fotón).
En principio, usar un haz entrelazado, puedes obtener el vector de impulso completo del objetivo, no solo su velocidad Doppler, sino su vector de impulso completo, las tres dimensiones y las tres dimensiones de la amplitud de movimiento del objetivo.
Además. Para la decoherencia, otro desafío para el radar cuántico es el flujo de fotones, o la cantidad de fotones entrelazados producidos y transmitidos por unidad de tiempo, “Supongamos que envía un fotón una vez (velocidad de 1 GHz), pero si solo 1/1000 o. 1/10000 en realidad se refleja en usted, entonces solo detecta aproximadamente una vez cada milisegundo. Para crear una imagen útil, es necesario disparar fotones muy rápidamente para obtener suficiente información en un período de tiempo razonable. ”
Baugh está trabajando en un proyecto de investigación con Investigación y Desarrollo de Defensa de Canadá (DRDC) para desarrollar una fuente de luz cuántica mejorada, una de las cuales es un radar cuántico. El propósito de este proyecto es proporcionar un '. Señalización de muy alta velocidad Si bien no se han publicado detalles del método, ya que el IQC no ha publicado la tecnología, Baugh la describió como "similar a un semiconductor, un dispositivo nanoelectrónico que opera a nivel de un solo electrón, permitiendo la señalización eléctrica". ." Convertido en un fotón o en un par de fotones entrelazados. "
Dado que la fuente de luz opera en el estado óptico en lugar de microondas (aproximadamente 850 nanómetros, cerca del infrarrojo y solo en el borde de la luz visible), la aplicación inmediata sería lidar, pero Baugh dijo: "En última instancia, la idea es que otros grupos del mundo están trabajando en la conversión coherente de longitudes de onda cuánticas de luz visible a frecuencias de microondas, y los resultados de su investigación informarán nuestra tecnología. ”
Hoy en día, cuando se analiza el desarrollo y la posible implementación práctica de la tecnología de radar cuántico, generalmente se considera que el enfoque más prometedor es el que tiene más probabilidades de implementarse en el futuro previsible, y se llama cuántico. Radar de iluminación (Radar de iluminación cuántica, QIR)
Para proporcionar información importante sobre el objetivo encontrado por el fotón emitido, el fotón emitido de retorno del par entrelazado QIR no necesita ser consistente con otros fotones inactivos.
Baugh dijo que QIR puede ofrecer muchas ventajas sobre el radar tradicional.
"En circunstancias normales, con radar convencional, lidar o cualquier tipo de teledetección, se emite un pulso de energía que contiene miles de millones o billones de fotones; esta es la forma clásica de reflejar la radiación electromagnética de un objeto. De vuelta al detector, que permite medir el tiempo de vuelo y calcular la distancia a un objeto, así como calcular su velocidad y dirección en el tiempo
Por el contrario, el radar QIR funciona a nivel de fotones individuales y, por tanto, funciona a partir de un único fotón. Comienzan pares de fotones entrelazados y, debido a los principios de la mecánica cuántica, los propios fotones tienen una correlación más fuerte que la que tenían originalmente. Si el fotón que regresa se refleja, los dos fotones se pueden medir conjuntamente para mostrar si los dos fotones estaban entrelazados. en realidad correlacionado, de modo que los fotones no correlacionados se pueden separar, pero puede ser solo ruido de fondo.
Debido al tamaño reducido a niveles de potencia muy bajos (fotón único), el radar cuántico ofrece una mejora en la señal. Relación ruido. Mejora significativa.
Básicamente, la descorrelación está relacionada con la segunda ley de la termodinámica, que todavía no entendemos y sería fácil de estudiar si alguien pudiera encontrar una manera. para superarlo. No obstante, enfatizó Baugh, “el radar QIR no reemplazará al radar tradicional. En cambio, la idea es mejorar las capacidades de los radares convencionales que se ven desafiadas en ciertos sistemas, como entornos de baja relación señal-ruido con señales de fondo muy fuertes. Quiere el mismo rango de frecuencia para la detección, intenta detectar objetivos invisibles o quiere que la detección en sí sea invisible. Otra ventaja del QIR, señaló Baugh, es que debido al "pequeño" nivel de potencia de un haz de un solo fotón, puede proporcionar detección mientras permanece sin ser detectado "el objetivo no sabe que ha sido iluminado, debido a la cantidad de fotones". por unidad de tiempo utilizada para detectarlo es demasiado pequeño para ser medido. QIR es entre 9 y 10 órdenes de magnitud más bajo que el radar o lidar tradicional.
En el artículo de Bhashyam Bala Ji de 2018, las perspectivas de QIR se resumen de la siguiente manera: "Ciertamente se pueden construir radares de iluminación cuántica, pero construir QIR requiere un esfuerzo concertado (es decir, métricas de ingeniería de radar) y una inversión adecuada.
Aún existen muchas incógnitas sobre cuál es el mejor diseño de radar cuántico o cuál es el mejor procesamiento de señales cuánticas. Pero "lo mejor no debería ser enemigo de lo mejor". Estos esfuerzos requerirán que los ingenieros de radar dominen la óptica cuántica de microondas, una aplicación muy importante en el mercado, y los beneficios serán enormes.