奥地利学者：利用量子纠缠发明首个量子雷达原型，或可用于生物医学和安全领域

近日，奥地利科学技术研究院的物理学家发明了一种新的雷达原型，该原型使用量子纠缠作为目标检测的方法。量子力学成功集成到设备中可能会对生物医学和安全行业产生重大影响，该研究发表在《科学进展》杂志上。

量子雷达原型的插图

量子纠缠是一种物理现象，其中两个粒子保持相互连接，共享物理特征，而无论它们彼此相距多远。现在，来自奥地利科学技术研究院（IST Austria）的Johannes Fink教授研究小组的科学家、来自麻省理工学院（MIT）和英国约克大学的合作者Stefano Pirandola、以及来自英国约克大学的合作者意大利卡梅里诺大学已展示了一种称为微波量子照明的新型检测技术，该技术利用纠缠的微波光子作为检测方法。这个原型，也称为量子雷达，能够在嘈杂的热环境中检测物体，而传统雷达系统经常会在这种环境中发生故障，该技术在超低功耗生物医学成像和安全扫描仪中具有潜在的应用前景。

使用量子纠缠作为一种新的检测形式

该设备背后的工作原理很简单：研究人员没有使用常规的微波，而是纠缠了两组光子，分别称为“信号光子”和“闲置光子”。“信号光子”被发送到感兴趣的对象，而“闲置光子”则相对隔离地测量，没有干扰和噪声。当“信号光子”被反射回去时，信号与“闲置光子”之间的真实纠缠消失了，但是少量的相关性得以保留，从而创建了一个描述目标物体存在与否的特征或图案，而与物体环境内部的噪声无关。

主要作者沙比尔·巴尔赞耶（Shabir Barzanjeh）先前研究有助于推动量子增强雷达技术背后的理论观念，他说：“我们所展示的是微波量子雷达的概念证明。利用比绝对零（-273.14°C）高出千分之一度的缠结，我们已经能够在室温下检测出低反射率的物体。”

量子技术可以胜过传统的低功率雷达

尽管量子纠缠本质上是易碎的，但该设备比传统的经典雷达具有一些优势。例如，在低功率水平下，传统的雷达系统通常具有灵敏度差的问题，因为它们难以将物体反射的辐射与自然产生的背景辐射噪声区分开。量子照明为该问题提供了解决方案，因为信号和闲置光子之间的相似性（由量子纠缠产生）使从环境中产生的噪声中区分出信号光子（从目标物体接收）变得更加有效。

巴尔赞耶现在是卡尔加里大学的助理教授，他说：“我们研究的主要信息是，量子雷达或量子微波照明不仅在理论上而且在实践上都是可能的。以经典低功率为基准在相同条件下的探测器，我们看到，在非常低的信号光子数下，量子增强的探测可能会更好。”

纵观历史，基础科学一直是创新、范式转变和技术突破的关键驱动力之一。该小组的研究虽然仍是一个概念证明，但有效地证明了一种新的检测方法，在某些情况下，该方法可能优于经典雷达。巴尔赞耶说：“纵观历史，概念证明（例如我们在此处演示的证明）通常是未来技术进步的重要里程碑，很高兴看到这项研究对未来的意义，特别是对短距离微波传感器的意义。”

最后一位作者兼小组负责人约翰尼斯·芬克（Johannes Fink）教授说：“只有将量子物理学如何帮助推动传感的基本极限的好奇心驱使的理论物理学家和实验物理学家聚在一起，才能取得这一科学结果。在实际情况下，我们还将需要经验丰富的电气工程师的帮助，并且仍然有很多工作要做，以使我们的结果适用于实际的检测任务。”