行早 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

“量子糾纏雷達”，聽起來是不是像民科？

其實這可是物理學家正經研究的黑科技，還發表在了物理學頂刊PRL（物理評論快報）上。

論文裡說，這種雷達的精度可達普通雷達的500倍。

雷達概念圖

等一下，量子糾纏和雷達，這倆是怎麼湊到一塊去的？

簡單來說就是，量子糾纏可以彌補傳統雷達訊號衰減太快的缺點。

傳統雷達在發射訊號和接收訊號這兩個過程中，訊號強度都隨距離的二次方衰減。

合在一起就導致雷達訊號隨距離的四次方衰減。

這種程度的衰減是什麼概念呢？我們來看一組資料就知道了：

假如一個訊號發射器功率為1kW，加上增益為10的天線，去探測5公里外一個1平米的物體時，收到的反射訊號只有幾納瓦。

而像我們平時用的手機，在滿格訊號的時候都有0.1W的輻射功率，是上述例子中接收到訊號強度的一億倍。

於是，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，要麼增強輻射，要麼最佳化接收。

如果選前者，實在太不划算，根據雷達訊號的四次方衰減，要想把接收訊號強度增強兩倍，需要把輻射強度提高16倍。

因此，研究人員把目光放在接收的過程上。

這時候，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中獨有的一種現象，指的是微觀粒子在一些物理性質上會有關聯，天生就是配對的。

舉個栗子，有一副正常的手套分裝在兩個盒子裡，一定會有一隻左手和一隻右手。當確定其中一個的時候，另一個也隨之確定，無論這兩個盒子距離有多遠。

量子糾纏想象圖

像這樣有某種暗戳戳的聯絡的兩個微觀粒子就處於糾纏態。

於是，研究人員想：如果我們生成一些相互糾纏的光子，然後只發射一半，等到訊號被反射回來時，再用剩下的一半做對比。

aS和aI相互糾纏，一個用於發射，一個用於檢測

無論訊號怎麼衰減，這些孿生光子都可以輕鬆配對，豈不是可以大大提高雷達精度？

計算結果也確實如其所料。

Quntao Zhuang和Jeffrey推匯出，量子雷達的均方距離延遲精度要比傳統的雷達高几十個分貝。

除了理論推理，研究人員還用無人機來實際檢測了一下量子雷達精度。在100m遠處檢測無人機的情境下，量子雷達比傳統雷達的精度高了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），紅線為量子雷達的表現：

從圖中大體可以看出，量子雷達在全部信噪比區間都比傳統雷達要好。

在信噪比較高（達到15-20分貝）時，量子雷達（紅線）比傳統雷達（藍線和青線）有小幅精確度優勢。

在較低信噪比情況下優勢更為明顯，例如信噪比在5-10分貝之間時，量子雷達的精度大約是傳統雷達的500倍。

作者簡介

這項工作的研究人員是莊群濤和Jeffrey H. Shapiro。

莊群濤在2013年畢業於北京大學，2018年拿到麻省理工的物理學博士學位，目前在亞利桑那大學任助理教授。

而Jeffrey H. Shapiro是麻省理工電子研究實驗室前主任，也是麻省理工光學和量子通訊組主任。

參考連結：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.010501
[2]https://arstechnica.com/science/2022/01/entangled-microwave-photons-may-give-500x-boost-to-radar/
[3}https://www.technologyreview.com/2019/08/23/75512/quantum-radar-has-been-demonstrated-for-the-first-time/