量子纠缠buff加持，雷达精度提高500倍，论文已登物理顶刊

Posted 2022-02-05 QbitAl

行早 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

“量子纠缠雷达”，听起来是不是像民科？

其实这可是物理学家正经研究的黑科技，还发表在了物理学顶刊PRL（物理评论快报）上。

论文里说，这种雷达的精度可达普通雷达的500倍。

△图注：雷达概念图

等一下，量子纠缠和雷达，这俩是怎么凑到一块去的？

简单来说就是，量子纠缠可以弥补传统雷达信号衰减太快的缺点。

传统雷达在发射信号和接收信号这两个过程中，信号强度都随距离的二次方衰减。

合在一起就导致雷达信号随距离的四次方衰减，也就是说，如果想把接收信号强度增强两倍，需要把辐射强度提高16倍！

这种程度的衰减是什么概念呢？我们来看一组数据就知道了：

假如一个信号发射器功率为1kW，加上增益为10的天线，去探测5公里外一个1平米的物体时，收到的反射信号只有几纳瓦。

而像我们平时用的手机，在满格信号的时候都有0.1W的辐射功率，是上述例子中接收到信号强度的一亿倍。

于是，为了拯救这种程度的衰减，研究人员开始想办法：方向无非是两种，要么增强辐射，要么优化接收。

如果选前者，实在太不划算，根据雷达信号的四次方衰减，要想把接收信号强度增强两倍，需要把辐射强度提高16倍。

因此，研究人员把目光放在接收的过程上。

这时候，量子纠缠登场了。

量子纠缠如何提高精度

量子纠缠是量子力学中独有的一种现象，指的是微观粒子在一些物理性质上会有关联，天生就是配对的。

举个栗子，有一副正常的手套分装在两个盒子里，一定会有一只左手和一只右手。当确定其中一个的时候，另一个也随之确定，无论这两个盒子距离有多远。

△图注：量子纠缠想象图

像这样有某种暗戳戳的联系的两个微观粒子就处于纠缠态。

于是，研究人员想：如果我们生成一些相互纠缠的光子，然后只发射一半，等到信号被反射回来时，再用剩下的一半做对比。

△图注：a _S和a _I相互纠缠，一个用于发射，一个用于检测

无论信号怎么衰减，这些孪生光子都可以轻松配对，岂不是可以大大提高雷达精度？

计算结果也确实如其所料。

Quntao Zhuang和Jeffrey推导出，量子雷达的均方距离延迟精度要比传统的雷达高几十个分贝。

除了理论推理，研究人员还用无人机来实际检测了一下量子雷达精度。在100m远处检测无人机的情境下，量子雷达比传统雷达的精度高了60倍。

两者的对比可以直观得从下图中看出，其中横轴代表信噪比，纵轴代表均方距离延迟精度（越低越好），红线为量子雷达的表现：

从图中大体可以看出，量子雷达在全部信噪比区间都比传统雷达要好。

在信噪比较高（达到15-20分贝）时，量子雷达（红线）比传统雷达（蓝线和青线）有小幅精确度优势。

在较低信噪比情况下优势更为明显，例如信噪比在5-10分贝之间时，量子雷达的精度大约是传统雷达的500倍。

作者简介

这项工作的研究人员是庄群涛和Jeffrey H. Shapiro。

庄群涛在2013年毕业于北京大学，2018年拿到麻省理工的物理学博士学位，目前在亚利桑那大学任助理教授。

而Jeffrey H. Shapiro是麻省理工电子研究实验室前主任，也是麻省理工光学和量子通信组主任。

参考链接：

[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/
[3https://www.technologyreview.com/2019/08/23/75512/quantum-radar-has-been-demonstrated-for-the-first-time/