Схема высокоточной радиолокации с квантовым датчиком. Концептуальная установка для радиолокации с квантовым датчиком. Два радиочастотных тракта с одинаковой частотой служат опорным (RF A) и дальномерным сигналом (RF B). Сигнал дальности отражается от цели на расстоянии L. Затем сигнал интерференции в свободном пространстве между двумя путями ограничивается микромасштабным объемом и взаимодействует с квантовым датчиком центра NV.
b Принцип извлечения информации о расстоянии до цели. Фаза обратно рассеянного РЧ-импульса изменяется в зависимости от положения цели, как φ(L). Он определяет амплитуду (B RF) интерференции между обратно рассеянным и опорным ВЧ импульсами. Впоследствии частота колебаний Раби квантового датчика будет изменяться в зависимости от положения цели, как Ω(L). Положение мишени окончательно оценивается путем измерения электронного спина ансамбля NV-центров в алмазе.
Предоставлено: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36929-8

Технология радиолокационного позиционирования, основанная на измерении микроволнового сигнала, широко используется в таких областях, как автоматическое вождение, интеллектуальное производство, мониторинг состояния здоровья и геологические исследования. В этом исследовании исследовательская группа объединила квантовое зондирование твердотельных систем с микро-/нано-разрешением и глубокой субволновой локализацией электромагнитных полей для разработки высокочувствительного микроволнового обнаружения и высокоточной технологии микроволнового позиционирования.

Исследователи разработали составную микроволновую антенну, состоящую из квантовых сенсоров алмазного спина и металлических наноструктур, которая собирает и объединяет микроволновые сигналы, распространяющиеся в свободном пространстве, в нанопространство. Исследуя состояние твердотельного квантового зонда в локальной области, они измерили микроволновые сигналы. Этот метод преобразовал обнаружение слабых сигналов в свободном пространстве в обнаружение электромагнитного поля и твердотельных спиновых взаимодействий на наноуровне, улучшив чувствительность измерения микроволнового сигнала твердотельными квантовыми датчиками на 3–4 порядка.

Для дальнейшего использования высокочувствительного микроволнового обнаружения, для достижения высокоточной микроволновой локализации, исследователи построили устройство микроволновой интерферометрии на основе алмазного квантового датчика и получили фазу отраженного микроволнового сигнала и информацию о положении объекта через твердое тело, состояние спинового обнаружения результата интерференции между отраженным микроволновым сигналом и опорным сигналом объекта. Основываясь на многократном когерентном взаимодействии между твердотельными спиновыми квантовыми зондами и микроволновыми фотонами, они достигли измерения положения с квантовым усилением с точностью до 10 микрометров (около одной десятитысячной длины волны).

По сравнению с традиционными радиолокационными системами этот метод квантовых измерений не требует активных устройств, таких как усилители на стороне обнаружения, что снижает влияние электронных помех и других факторов на предел измерения. Последующие исследования позволят улучшить точность радиолокации, частоту дискретизации и другие показатели на основе твердотельного спинового квантового зондирования, а также разработать практическую технологию твердотельной квантовой радиолокации, которая превосходит уровень производительности существующих радаров.