Wiadomości z University of Science and Technology of China (USTC), ostatnio zespół LIDAR kierowany przez prof. Xianghui Xue poczynił znaczne postępy w badaniach nad kwantowymi systemami LIDAR. Zespół po raz pierwszy przedstawił teorię lidaru do pomiaru wiatru opartą na zasadzie kwantowej interferencji konwersji w górę i na podstawie tej teoretycznej innowacji pomyślnie opracował prototyp. W porównaniu z tradycyjnym radarem do pomiaru spójnego wiatru, nowy system realizuje dynamiczny zakres wykrywania prędkości 0-13 km/s i 7-krotną poprawę czułości wykrywania. Wynik ten został opublikowany 15 sierpnia 2024 r. w czasopiśmie ACS Photonics.
„Widzieć daleko, widzieć dobrze, mierzyć szybko i mierzyć dokładnie” to cel, do którego dąży LIDAR. LIDAR jednofotonowy osiąga wykrywanie czułości pojedynczego fotonu w porównaniu do konwencjonalnego LIDAR, co znacznie poprawiło wydajność. Jednak teoria radaru kwantowego wykorzystującego bardziej precyzyjne zasady pomiaru kwantowego jest nadal w fazie rozwoju. Od czasu odkrycia interferencji dwufotonowej (HOM) w 1987 r. interferencja HOM stała się kluczowym kamieniem węgielnym w odróżnianiu zjawisk kwantowych od fizyki klasycznej, co oznacza początek nowej ery eksploracji kwantowej. Interferencja HOM nie tylko odgrywa fundamentalną rolę w precyzyjnych pomiarach czasu i analizie stanu kwantowego, ale jest również centralna dla różnych zastosowań w przetwarzaniu informacji kwantowej. Innowacja teorii precyzyjnego pomiaru kwantowego i zastosowania opartego na interferencji HOM stała się aktualnym punktem zapalnym badań.
Grupa Xianghui Xue wykorzystuje interferencję HOM i wymazywanie kwantowe wyższego rzędu, aby niezależne fotony z różnych źródeł światła wykazywały zjawisko interferencji kwantowej, i rozwija dwufotonowy interferometryczny atmosferyczny system lidarowy oparty na detektorach konwersji w górę opartych na tej teorii. To podejście oferuje czułość pojedynczego fotonu, wysoką wydajność kwantową, dużą szerokość pasma wykrywania i zastosowanie w wielu długościach fali. Wykorzystując wymazywanie kwantowe w połączeniu z metodą próbkowania kompresji optycznej, ten kwantowy system radarowy jest w stanie rejestrować sygnały optyczne z częstotliwością próbkowania MHz w paśmie 17 GHz (odpowiadającym 13 km/s), co rozwiązuje problem wysokiej częstotliwości próbkowania i dużej pojemności przechowywania danych słabych sygnałów w ciągłym wykrywaniu celów o bardzo dużej prędkości i toruje drogę do realizacji wykrywania ciągłych prędkości o bardzo dużej prędkości do dziesiątek kilometrów na sekundę.
Pasmo wykrywania większe niż 17 GHz, błąd wykrywania częstotliwości mniejszy lub równy 60 MHz (błąd miernika długości fali 60 MHz)
W eksperymencie terenowym system radaru interferencyjnego kwantowego wykorzystuje energię 70 μJ do wykrywania pola wiatru w odległości poziomej 16 km, co pozwala uzyskać 7--krotną poprawę czułości wykrywania przy spójności wykrywania pola wiatru wynoszącej R2=0.997 w porównaniu z istniejącym systemem LiDAR.
Wykrywanie pola wiatru w odległości 16 km przy użyciu energii 70μJ
Podstawą tej technologii jest wykorzystanie zjawiska interferencji dwufotonowej i poprawa stosunku sygnału do szumu poprzez tłumienie szumu za pomocą wymazywania kwantowego. Interferencja dwufotonowa to zjawisko optyczne kwantowe, w którym dwa fotony interferują ze sobą, a korelacje są obserwowane nawet wtedy, gdy nie występują w tym samym czasie. Z drugiej strony wymazywanie kwantowe to proces mechaniki kwantowej, który można wykorzystać do wyeliminowania lub przywrócenia stanu splątania kwantowego między dwoma fotonami poprzez manipulowanie dodatkowymi fotonami.
Telemetria wykazała, że technika ta ma duży potencjał w pomiarach słabego sygnału. Częstotliwości optyczne można wykrywać bez użycia urządzenia do dyskryminacji częstotliwości, co jest nowatorską metodą wykrywania, która łączy zalety wykrywania bezpośredniego i koherentnego. System radarowy został zintegrowany i zagęszczony światłowodowo, z potencjalnymi przyszłymi zastosowaniami do ciągłych pomiarów zdalnych ultraszybko poruszających się twardych i miękkich celów.
