El amanecer del "radar cuántico", comprensión de la teoría y la realidad

En este artículo se analizan los principios básicos, aplicaciones y ventajas del radar cuántico, los retos a superar y las tecnologías futuras.

Todas las discusiones sobre la tecnología de radar cuántico comienzan con lo que se describen como "pares entrelazados" de fotones, que son dos fotones, cada uno de los cuales puede tener una propiedad física mensurable (posición, momento, autopropagación). . espín, polarización), pero el estado de cada partícula depende (está relacionado con) el estado de la otra, incluso si están separadas una de otra.

Los pares de fotones entrelazados 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 beta borato de 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.

Chris Wilson, del Instituto de Computación Cuántica (IQC) de la Universidad de Waterloo en Canadá, describe en el artículo "Quantum Enhanced Noise Radar" los resultados de un trabajo que utiliza circuitos superconductores para generar directamente pares de fotones entrelazados en la rango de microondas. Como fuente de microondas cuántica se utiliza un amplificador paramétrico Josephson no degenerado construido como un circuito de microondas en un chip de aluminio superconductor. Un desafío en el proceso es que debe realizarse en un criostato extremadamente frío.

En teoría, utilizando un haz sinuoso, se puede obtener todo el vector de impulso del objetivo, no sólo su velocidad Doppler, sino todo su vector de impulso, las tres dimensiones así como aquellas en las que el objetivo se mueve. las tres amplitudes.

El debate sobre el radar cuántico se ha vuelto más variable, con explicaciones o descripciones tremendamente diferentes de los mecanismos operativos del radar cuántico que aparecen con frecuencia, al menos en los medios de comunicación en general.

En un enfoque, el proceso comienza cuando se separan pares de fotones entrelazados, y uno de cada par se envía directamente a lo largo de la ruta de almacenamiento (el fotón inactivo), mientras que el fotón asociado se convierte a frecuencias de microondas (microondas). fotones) y se transmite al objetivo como una forma de onda convencional.

La premisa es que al interactuar con un objetivo, el estado cuántico de un fotón de microondas cambiará de algún modo (como por ejemplo de fase o polaridad). La señal de retorno reflejada del 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 su frecuencia sin cambios del par entrelazado inactivo para proporcionar información sobre su encuentro.

Sin embargo, existe otra descripción de la teoría del radar cuántico, que describe una "acción extraña a distancia" (término acuñado por Albert Einstein) en la que un fotón dividido del par entrelazado se transmite como un "haz de fotones".

En este caso, sin embargo, los fotones transmitidos de alguna manera permanecen en comunicación continua e instantánea con su par entrelazado, independientemente de la distancia entre ellos. El fotón transmitido no regresa a su fuente, pero el fotón no transmitido también cambia según el entorno que ve su par entrelazado, proporcionando información sobre posibles objetivos que encuentra 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 grandes categorías de radares cuánticos (llamados QuDAR).

Sin embargo, como describe el Dr. Ned Allen, director científico de Lockheed Martin (Bethesda, MD), en 2005, la Oficina de Tecnología Estratégica (STO) de DARPA estaba trabajando en conceptos de radar cuántico como parte de. En el proyecto, Lockheed Martin estudió el concepto de "acción fantasma de largo alcance", al que llamaron "radar de punto sin retorno".

Según Allen, creen que "esto es una violación de 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 después de reunir una grupo de expertos en la materia de varias universidades y otras entidades científicas importantes, no profundizamos más en el tema porque creíamos que no estaba permitido según las leyes de la física.

Alan también se reunió hoy para “La física es actualmente. en un período turbulento y muchas de sus cuestiones están siendo reconsideradas. También señaló: "Si bien no está claro que entendiéramos suficiente física como para descartarlo por completo, estábamos muy seguros dadas las manifestaciones físicas disponibles en ese momento, pero esto sigue sin reconocerse hasta el día de hoy". Como resultado de su trabajo en el proyecto del radar cuántico, el equipo de Lockheed ha definido dos clases amplias de radares cuánticos (llamados QuDAR): la Clase 1 es donde todos los efectos cuánticos se retienen en el transmisor/receptor del radar, y la Clase 2 es un "recurso cuántico". " (fotón) se transmite del punto A al punto B a través de un medio con pérdidas (es decir, la atmósfera).

Allen dijo que ahora se está desarrollando un radar cuántico de Clase 1, "pero no se llama radar cuántico, sino una 'mejora en la sensibilidad' de los dispositivos electrónicos en el módulo transmisor/receptor, como una mejor amplificador de bajo ruido." ” El profesor asociado Jonathan Baugh, IQC de la Universidad de Waterloo, está de acuerdo: “Este es uno de los beneficios a corto plazo del desarrollo de sistemas de 'radar cuántico', donde detectores más sensibles y señales de inspiración cuántica Se pueden utilizar métodos de procesamiento para mejorar las 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 una perspectiva matemática, el sigilo es solo una reducción en la sección transversal del radar (RCS) del objetivo porque Es la relación señal-ruido (SNR) la que determina si un objetivo es detectable, y si se aumenta la SNR reduciendo el ruido interno en un radar receptor/transmisor con buenas capacidades cuánticas, se pueden detectar objetivos cada vez más pequeños. El radar cuántico de clase 1 puede ayudar a derrotar algunos métodos sigilosos.

El radar cuántico de clase 2 puede distinguir aún más el grado en que los pares entrelazados (fotones inactivos y transmitidos) mantienen su coherencia a lo largo del 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 solo amplitud y fase, sino innumerables propiedades del dispositivo cuántico (el fotón).

En principio, con un haz entrelazado, lo que se puede obtener es el vector de impulso completo del objetivo, no solo su velocidad Doppler, sino su vector de impulso completo, las tres dimensiones y todas aquellas dimensiones en las que el objetivo se mueve en tres amplitudes. >

Además de la decoherencia, otro desafío para el radar cuántico es el flujo de fotones, la cantidad de fotones entrelazados producidos y entregados por unidad de tiempo, como explica Baugh de IQC: "Supongamos que envía fotones cada nanosegundo (velocidad de 1 GHz). pero si en realidad solo se refleja 1/1000 o 1/10000, entonces solo está detectando aproximadamente un fotón cada milisegundo. Para crear una imagen útil, es necesario enviar 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, cuya aplicación es el radar cuántico. El objetivo del proyecto es proporcionar una fuente de luz "muy alta". "Señal de velocidad" de fotones entrelazados, y aunque los detalles del método aún no se han publicado, ya que el IQC no ha publicado la tecnología, Baugh la describe como "similar a los semiconductores, dispositivos nanoelectrónicos que operan a nivel de un solo electrón, permitiendo la conversión de señales eléctricas en fotones o pares de fotones entrelazados. "

Dado que la fuente de luz opera en el régimen óptico en lugar de microondas (alrededor de 850 nm, cerca del IR, justo en el borde de la luz visible), una aplicación directa sería lidar, pero Baugh dijo "en última instancia La idea es que los grupos del resto 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 servirán como camino hacia nuestra tecnología. ”

Hoy en día, cuando se estudia el estado de desarrollo y la posible implementación práctica de la tecnología de radar cuántico, el enfoque más prometedor, a menudo considerado el más alcanzable en el futuro previsible, se conoce como radar de iluminación cuántica (QIR).

El fotón emitido devuelto de un par entrelazado no necesita permanecer consistente con otros fotones inactivos para proporcionar información importante sobre el objetivo que encontró el fotón emitido.

Por el contrario, el radar QIR opera a nivel de fotón único, por lo que comienza con pares de fotones entrelazados, que a su vez tienen correlaciones más fuertes de las que tendrían de otro modo debido a los principios de la mecánica cuántica. Si el fotón devuelto se refleja, se puede realizar una medición conjunta de los dos fotones, mostrando si los dos fotones estaban realmente correlacionados desde el principio, separando así los fotones que no están correlacionados pero que pueden ser simplemente ruido de fondo.

El radar cuántico ofrece mejoras significativas en la relación señal-ruido debido a la reducción a niveles de potencia muy bajos (fotón único).

Fundamentalmente la descorrelación está relacionada en gran medida con la segunda ley de la termodinámica que realmente no entendemos aún, y sería muy conveniente estudiarla si alguien pudiera encontrar una manera de superarla.

No obstante, Baugh enfatizó que "el radar QIR no reemplazará al radar tradicional. En cambio, la idea es mejorar las capacidades del radar tradicional en sistemas específicos que se enfrentan a desafíos, como los de baja relación señal-ruido". entornos con una señal de fondo muy fuerte. Quiere utilizar el mismo rango de frecuencia para la detección, o intenta detectar objetivos invisibles, o quiere hacer que la detección en sí sea invisible".

Baugh señaló otra ventaja de QIR. es que debido a los "pequeños" niveles de potencia únicos en los que operan los haces de fotones, QIR puede proporcionar detección sin ser detectado. "El objetivo no sabe que está iluminado porque el número de fotones por unidad de tiempo utilizados para detectarlo es tan pequeño que es casi imposible de medir. El QIR es entre 9 y 10 órdenes de magnitud menos potente que el radar o el lidar convencional.

”

En un artículo de 2018, Bhashyam Balaji resumió la promesa de QIR de la siguiente manera: “Definitivamente se pueden construir radares de iluminación cuántica; sin embargo, construir un QIR requerirá un esfuerzo concertado (es decir, métricas de ingeniería de radar) y adecuados. inversión.

Aún existen muchas incógnitas sobre el diseño óptimo de radar cuántico o el procesamiento óptimo de señales cuánticas. Sin embargo, “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.