量子糾纏buff加持,雷達(dá)精度提高500倍,論文已登物理頂刊
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“量子糾纏雷達(dá)”,聽起來是不是像民科?
其實(shí)這可是物理學(xué)家正經(jīng)研究的黑科技,還發(fā)表在了物理學(xué)頂刊PRL(物理評論快報(bào))上。
論文里說,這種雷達(dá)的精度可達(dá)普通雷達(dá)的500倍。
等一下,量子糾纏和雷達(dá),這倆是怎么湊到一塊去的?
簡單來說就是,量子糾纏可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)雷達(dá)信號衰減太快的缺點(diǎn)。
傳統(tǒng)雷達(dá)在發(fā)射信號和接收信號這兩個(gè)過程中,信號強(qiáng)度都隨距離的二次方衰減。
合在一起就導(dǎo)致雷達(dá)信號隨距離的四次方衰減。
這種程度的衰減是什么概念呢?我們來看一組數(shù)據(jù)就知道了:
假如一個(gè)信號發(fā)射器功率為1kW,加上增益為10的天線,去探測5公里外一個(gè)1平米的物體時(shí),收到的反射信號只有幾納瓦。
而像我們平時(shí)用的手機(jī),在滿格信號的時(shí)候都有0.1W的輻射功率,是上述例子中接收到信號強(qiáng)度的一億倍。
于是,為了拯救這種程度的衰減,研究人員開始想辦法:方向無非是兩種,要么增強(qiáng)輻射,要么優(yōu)化接收。
如果選前者,實(shí)在太不劃算,根據(jù)雷達(dá)信號的四次方衰減,要想把接收信號強(qiáng)度增強(qiáng)兩倍,需要把輻射強(qiáng)度提高16倍。
因此,研究人員把目光放在接收的過程上。
這時(shí)候,量子糾纏登場了。
量子糾纏如何提高精度
量子糾纏是量子力學(xué)中獨(dú)有的一種現(xiàn)象,指的是微觀粒子在一些物理性質(zhì)上會有關(guān)聯(lián),天生就是配對的。
舉個(gè)栗子,有一副正常的手套分裝在兩個(gè)盒子里,一定會有一只左手和一只右手。當(dāng)確定其中一個(gè)的時(shí)候,另一個(gè)也隨之確定,無論這兩個(gè)盒子距離有多遠(yuǎn)。
像這樣有某種暗戳戳的聯(lián)系的兩個(gè)微觀粒子就處于糾纏態(tài)。
于是,研究人員想:如果我們生成一些相互糾纏的光子,然后只發(fā)射一半,等到信號被反射回來時(shí),再用剩下的一半做對比。
aS和aI相互糾纏,一個(gè)用于發(fā)射,一個(gè)用于檢測
無論信號怎么衰減,這些孿生光子都可以輕松配對,豈不是可以大大提高雷達(dá)精度?
計(jì)算結(jié)果也確實(shí)如其所料。
Quntao Zhuang和Jeffrey推導(dǎo)出,量子雷達(dá)的均方距離延遲精度要比傳統(tǒng)的雷達(dá)高幾十個(gè)分貝。
除了理論推理,研究人員還用無人機(jī)來實(shí)際檢測了一下量子雷達(dá)精度。在100m遠(yuǎn)處檢測無人機(jī)的情境下,量子雷達(dá)比傳統(tǒng)雷達(dá)的精度高了60倍。
兩者的對比可以直觀得從下圖中看出,其中橫軸代表信噪比,縱軸代表均方距離延遲精度(越低越好),紅線為量子雷達(dá)的表現(xiàn):

從圖中大體可以看出,量子雷達(dá)在全部信噪比區(qū)間都比傳統(tǒng)雷達(dá)要好。
在信噪比較高(達(dá)到15-20分貝)時(shí),量子雷達(dá)(紅線)比傳統(tǒng)雷達(dá)(藍(lán)線和青線)有小幅精確度優(yōu)勢。
在較低信噪比情況下優(yōu)勢更為明顯,例如信噪比在5-10分貝之間時(shí),量子雷達(dá)的精度大約是傳統(tǒng)雷達(dá)的500倍。
作者簡介
這項(xiàng)工作的研究人員是莊群韜和Jeffrey H. Shapiro。
莊群韜在2013年畢業(yè)于北京大學(xué),2018年拿到麻省理工的物理學(xué)博士學(xué)位,目前在亞利桑那大學(xué)任助理教授。

而Jeffrey H. Shapiro是麻省理工電子研究實(shí)驗(yàn)室前主任,也是麻省理工光學(xué)和量子通信組主任。
