Он может работать при сильных помехах и фиксировать самые маленькие объекты
Ученые создали прототип квантового микроволнового радара. Чтобы получить изображения объектов в среде с сильными помехами, где обычные радары не работают, он использует частицы света, "запутанные" на квантовом уровне. Описание работы опубликовал научный журнал Science Advances.
"Мы доказали, что квантовые радары и источники квантового микроволнового излучения могут существовать не только в теории, но и на практике. В тех условиях, в которых мы их проверяли, квантовые радары уже сейчас превосходят классические установки такого рода", – рассказал один из авторов работы, физик из Института науки и технологий Австрии Шабир Барзание.
Барзание и его коллеги по институту уже много лет работают над одной из главных фундаментальных проблем квантовой механики. Их давно интересует, почему многие феномены мира частиц, в том числе квантовая запутанность, не проявляют себя на уровне тех предметов, которые мы можем увидеть невооруженным глазом или хотя бы в микроскоп.
Сегодня ученые считают, что квантовые связи не могут соединять подобные объекты – например, два яблока. Дело в том, что в результате они разрушатся из-за так называемой декогеренции – явления, которое случается после того, как объекты, "запутанные" на квантовом уровне, взаимодействуют с атомами, молекулами, прочими скоплениями материи и силами окружающей среды.
В соответствии с этой логикой, чем крупнее объект, тем больше и чаще он контактирует с окружающей средой и тем быстрее распадаются квантовые связи, которые соединяют его с другими частицами и телами. Это соображение породило дискуссии о том, где начинается и кончается квантовая механика, влияет ли она на поведение крупных объектов в целом и можно ли нащупать границу между квантовым микромиром и обыденным макромиром.
Схема квантового радара. Источник: https://advances.sciencemag.org/content/6/19/eabb0451
Замеры с квантовой точностью
Год назад Барзание и его коллеги показали, что границы квантового мира значительно шире, чем казалось ученым ранее. Физики создали механическое устройство, которые вырабатывает запутанные пучки микроволнового излучения. Это устройство представляет собой набор из миниатюрных зеркал из кремния, которые соединены с источником механических колебаний.
Эти успехи заставили физиков вместе с коллегами из Италии и США задуматься о создании так называемого квантового радара. Принцип его работы очень прост: радар вырабатывает два пучка фотонов, запутанных между собой, один из которых направляется в сторону объекта, а второй хранится внутри самой установки.
Если первый сталкивается с каким-либо объектом окружающей среды, характер связей его фотонов с аналогичными частицами света внутри радара необратимым образом меняется, что позволяет определить расстояние до объекта и некоторые другие его свойства, сравнивая физические свойства фотонов. С помощью такого подхода можно находить даже самые малозаметные объекты. Он будет работать даже в том случае, если они находятся в среде с очень сильными помехами.
Австрийские физики и их коллеги смогли воплотить эту идею на практике, с помощью созданного ими квантового генератора колебаний, а также наборов микроволновых излучателей и цифровых приемников сигнала. Они позволили не хранить второй набор фотонов, а сразу считывать их. Благодаря этому у прибора практически не будет ограничений по дальности и длительности замеров.
Как показали первые тесты, при очень низкой силе сигнала эта установка значительно превосходит классические микроволновые радары. Пока такие системы могут работать только на фиксированном расстоянии и в лабораторных условиях, однако Барзание и его коллеги надеются, что в ближайшем будущем они создадут новые версии квантовых радаров, более полезные с практической точки зрения.
903
