Оптическое изображение сверхпроводящей цепи в основе эксперимента с квантовым радаром. При прокачке кольца туннельных переходов (фиолетовое увеличение) резонатор (синий) запутывается с сигналом (оранжевым), который выходит к возможной цели. При повторной накачке в то время, когда возвращается, возможно, отраженный сигнал, резонатор и входящий сигнал совместно измеряются с помощью квантового бита (зеленый), который подсчитывает, сколько фотонов находится в резонаторе.
Предоставлено: Quantum Circuit Group (ENS de Lyon).

Квантовые технологии, широкий спектр устройств, использующих принципы квантовой механики, могут значительно превзойти классические устройства в некоторых задачах. Таким образом, физики и инженеры во всем мире усердно работали над достижением этого долгожданного «квантового преимущества» над классическими вычислительными подходами.

Группа исследователей из Ecole Normale Supérieure de Lyon, CNRS, недавно разработала квантовый радар, который может значительно превзойти все существующие радары, основанные на классических подходах. Этот новый радар, представленный в статье, опубликованной в Nature Physics, одновременно измеряет состояние запутанного зонда и состояния холостого микроволнового фотона, возникающие, когда этот зонд отражается от целевых объектов, сливаясь с тепловым шумом.

«В 2020 году мы изобрели сверхпроводящую схему, которая, среди прочего, могла генерировать запутанность, сохранять и манипулировать микроволновыми квантовыми состояниями, а также подсчитывать количество фотонов в микроволновом поле», — Бенджамин Хьюард, один из исследователей, проводивших исследование. Об этом сообщает Phys.org. «Тогда мы поняли, что у него есть все функции, необходимые для решения одной из самых больших проблем в микроволновой квантовой метрологии: демонстрации квантового преимущества в радиолокационном зондировании».

В нескольких прошлых исследованиях пытались разработать квантовые радары, которые превосходили бы обычные радары. Это квантовое преимущество в конечном итоге было реализовано с помощью оптических систем, однако до этого исследования оно еще не было достигнуто с помощью микроволнового излучения.

Таким образом, Хуард и его коллеги первыми разработали квантовый радар на основе микроволнового излучения, который работает значительно лучше, чем любая классическая радиолокационная технология, о которой сообщалось на сегодняшний день. Их радар работает, используя корреляции, отпечатанные между двумя микроволновыми излучениями, выходящие за рамки классических физических теорий.

«Наш радар генерирует квантовую запутанность между микроволновым резонатором и сигналом, который излучается в направлении цели, скрытой большим количеством микроволнового шума, например, в атмосфере», — объяснил Хуард. «Если цель действительно существует, она будет отражать крошечную часть сигнала вместе с большим количеством шума. Затем наше устройство объединяет эту часть интересного сигнала с полем, хранящимся в резонаторе, таким образом, что производит больше или меньше фотонов в зависимости от того, существует цель или нет. Наконец, встроенный микроволновый счетчик фотонов исследует эти фотоны».

Схема работы квантового радара. Генерируется запутанная пара сигнал/холостой ход. Сигнал отражается только в том случае, если цель находится здесь, в направлении приемника. Много фонового шума также идет в сторону приемника. Используя совместное измерение размытого сигнала и холостого хода, можно решить, была ли цель там быстрее, чем в любом классическом состоянии с тем же количеством сигнальных фотонов.
Предоставлено: Quantum Circuit Group (ENS de Lyon).

Прошлые исследования показали, что квантовые корреляции могут ускорить обнаружение радаров до четырех раз в сценариях с сопоставимой мощностью сигнала и шумом цели. В первоначальных оценках микроволновый квантовый радар, разработанный исследователями, ускорил обнаружение радаров на 20% по сравнению с классическими радарами.

«Было очень трудно заставить эту демонстрацию работать, несмотря на простоту условий эксплуатации», — сказал Хуард. «Мы работали с одним неизвестным: наличием или отсутствием цели, и мы провели весь эксперимент при 10 мК, далеко от открытого воздуха. Что я нахожу самым сложным для прямого применения в квантовых радарах, так это то, что эта схема требует сигналов гораздо меньше, чем микроволновый фотон, чтобы наблюдать квантовое преимущество, и мы увидели, насколько исходный сигнал должен быть чисто запутан с резонатором, чтобы получить что-то полезное».

Хуард и его коллеги провели серию тестов, в ходе которых они измерили квантовое преимущество своего радара по широкому диапазону параметров. Эти тесты показали, что чистота начального запутанного состояния между зондом и бездействующим устройством в их устройстве может быть ограничивающим фактором, который следует учитывать при реализации их радара в реальных условиях.

«Что я нахожу наиболее интересным, так это тот факт, что мы можем получить квантовое преимущество, несмотря на настолько шумную среду, что запутанность не может выжить», — сказал Хуард. «Это редкий пример, когда можно использовать нетрадиционные корреляции, чтобы получить преимущество без какой-либо остаточной запутанности».

Недавняя работа этой группы исследователей вносит большой вклад в текущие усилия, направленные на улучшение характеристик технологии квантовых радаров. В будущем подход, лежащий в основе его функционирования, может вдохновить на разработку аналогичных микроволновых квантовых радаров, которые могут обеспечить еще большее квантовое преимущество.

«Я считаю, что есть еще много приложений, которые ждут своего открытия, в которых эти неклассические, но свободные от запутанности корреляции играют роль», — добавил Хуард. «Теперь мы хотели бы лучше понять, как выполнять микроволновое зондирование с использованием квантовых ресурсов, например, в контексте электронного спинового резонанса или исследования аксионов».