양자 레이더

Quantum radar

양자레이더는 불확실성 원리나 양자 얽힘 등 양자-기계적 효과를 바탕으로 한 투기적 원격감지 기술이다.광범위하게 말하면, 양자 레이더는 방사선원 및/또는 출력 검출의 관점에서 양자 특성을 이용하는 마이크로파 범위에서 작동하는 장치로 볼 수 있으며, 고전적인 상대보다 뛰어난 성능을 발휘한다.한 가지 접근방식은 수신기에서 적절한 계간 양자 검출과 결합된 입력 양자 상관관계(특히 양자 얽힘)의 사용에 기초한다(양자 조명의 프로토콜과 강하게 관련됨).

기술적으로 가능한 양자 레이더의 프로토타입을 위한 길을 닦는 것은 일부 검토 기사에서 논의된 바와 같이 많은 실험 난제를 해결하는 것과 관련이 있는데,[1][2] 그 중 후자는 언론에서 "정확하지 않은 보고"를 지적했다.현재의 실험 설계는 1m의 매우 짧은 범위에 한정된 것으로 보이며,[3][4][5] 이는 잠재적 응용이 대신 근거리 감시 또는 생물의학 스캔에 사용될 수 있음을 시사한다.

마이크로파 범위 모델의 개념

양자 레이더의 마이크로파 범위 모델은 2015년 국제팀이[6] 제안했으며 가우스 양자 조명 프로토콜을 기반으로 한다.[7]기본 개념은 뒤엉킨 가시주파 광자의 흐름을 만들어 반으로 나누는 것이다.절반인 "신호 빔"은 원래의 양자 상태를 보존하는 방식으로 마이크로파 주파수로 변환을 거친다.그런 다음 일반 레이더 시스템에서와 같이 마이크로파 신호를 보내고 받는다.반사된 신호가 수신되면 다시 가시광자로 변환되어 원래 얽힌 빔의 다른 절반인 "유휴 빔"과 비교된다.

비록 전자파가 대상 물체로 이동했다가 다시 이동함에 따라 원래 얽힘의 대부분이 양자 파괴로 인해 사라지겠지만, 반사 신호 빔과 아이들러 빔 사이에 충분한 양자 상관관계는 여전히 남아 있을 것이다.이 시스템은 적절한 양자 감지 방식을 사용하여 레이더에 의해 원래 전송된 광자만 골라낼 수 있으며, 다른 모든 소스를 완전히 걸러낸다.이 시스템이 현장에서 작동하도록 만들어질 수 있다면, 그것은 탐지 능력의 엄청난 발전을 나타낸다.

기존의 레이더 시스템을 격퇴하는 한 가지 방법은 레이더가 사용하는 동일한 주파수로 신호를 방송하는 것으로, 수신기가 자체 방송과 스푸핑 신호(또는 "걸림")를 구별할 수 없게 하는 것이다.그러나 그러한 시스템은 이론상으로도 레이더 내부 신호의 원래 양자 상태가 무엇이었는지 알 수 없다.그러한 정보가 부족하면, 그들의 방송은 원래 신호와 일치하지 않고 상관 관계자에 걸러질 것이다.지상의 잡동사니나 오로라와 같은 환경적 원천은 비슷하게 걸러질 것이다.

역사

한 가지 디자인은 2005년에 방위산업자 록히드 마틴에 의해 제안되었다.[8][9]이 작품에 대한 특허는 2013년에 허가되었다.목표는 기존 레이더가 제공할 수 있는 것보다 해상도가 높고 세부적인 정보를 제공하는 레이더 시스템을 만드는 것이었다.[10]그러나 이론적으로 이 설계에 의해 양자적 우위나 더 나은 분해능은 입증되지 않았다.

2015년 국제 연구팀에서는 고전적 설정보다 양자적 우위를 확보할 수 있는 양자 레이더의 이론적 설계를 최초로 선보였다.[6]이 양자 레이더 모델에서는, 고전적인 마이크로파 레이더의 능력을 훨씬 능가하는 검출 성능을 가진 밝은 마이크로파 배경 안에 내장되어 있는 저반사도 대상의 원격 감지를 고려한다.이 계획은 적절한 파장 "전기-옵티컬 컨버터"를 사용함으로써 전자파 신호 빔과 검출하기 위해 유지되는 광학 공회전 빔 사이에 우수한 양자 얽힘을 발생시킨다.대상 지역에서 수집된 마이크로파 복귀는 이후 광학 빔으로 변환된 후 아이들러 빔과 공동으로 측정한다.그러한 기술은 양자 조명의[11] 강력한 프로토콜을 보다 자연적인 스펙트럼 영역, 즉 마이크로파 파장으로 확장시킨다.

2019년에는 3차원 증강 양자 레이더 프로토콜이 제안되었다.[12]3차원 공간에서 비협조적인 포인트와 같은 대상을 국산화하기 위한 양자 계측 프로토콜로 이해할 수 있었다.그것은 양자 얽힘으로 독립된, 결합되지 않은 광자를 사용함으로써 얻을 수 있는 것보다 각 공간 방향에 대해 2차적으로 작은 국산화 불확실성을 달성했다.

위에서 소개한 것 외에 양자 레이더의 역사와 설계에 대해 좀 더 자세히 파헤치는 검토 기사는 arXiv에서 볼 수 있다.[13][14]

양자 레이더는 예비 실험 프로토타입이 실현됐음에도 현재 기술로 실현되기 어려운 상황이다.[15]

당면 과제 및 제한 사항

단거리에서도 진정한 퀀텀 레이더 프로토타입을 실험적으로 구현하는 데는 여러 가지 비경쟁적 과제가 있다.현재의 양자 조명 설계에 따르면 중요한 점은 공회전 펄스의 관리로, 이상적으로는 잠재적 표적에서 돌아오는 신호 펄스와 함께 검출되어야 한다.그러나 이를 위해서는 긴 일관 시간을 가진 양자 메모리를 사용해야 하며, 신호 펄스의 왕복에 필적할 수 있는 시간에 작동할 수 있어야 한다.다른 솔루션은 신호와 아이들러 펄스 사이의 양자 상관 관계를 양자 우위가 사라질 수 있는 지점까지 너무 많이 저하시킬 수 있다.이는 양자 조명의 광학 설계에도 영향을 미치는 문제다.예를 들어 표준 광섬유를 사용하여 아이들러 펄스를 지연선에 저장하면 시스템이 저하되고 양자 조명 레이더의 최대 범위가 약 11km로 제한된다.[6]이 값은 이 설계의 이론적 한계로 해석되어야 하며 달성 가능한 범위와 혼동해서는 안 된다.다른 제한사항으로는 현재의 양자 설계가 한 번에 하나의 양극화, 방위각, 고도, 범위, 도플러 빈만을 고려한다는 사실이 있다.

응용 프로그램에 대한 미디어 추측

양자 레이더가 스텔스 항공기를 탐지하고 고의적인 방해 시도를 걸러내며 지반 혼잡 등으로 인해 배경 소음이 높은 지역에서 작동할 수 있다는 언론의 추측이 나오고 있다.이와 관련, 양자 레이더를 잠재적 항발성 기술로 활용하는 것에 대한 언론에서는 상당한 추측이 나오고 있다.[16]스텔스 항공기는 일반적으로 둥근 표면을 사용하고 부분적인 코너 반사체를 형성할 수 있는 어떤 것도 피함으로써 레이더에서 멀리 떨어진 신호를 반사하도록 설계된다.이렇게 하면 레이더의 수신기로 되돌아오는 신호의 양이 감소하여 표적이 열 배경 소음에서 (이상적으로) 손실된다.비록 스텔스 기술은 양자 레이더의 수신기에서 떨어진 원래 신호를 반사하는 데 여전히 효과적일 것이지만, 다른 소스에 의해 늪에 빠졌을 때에도 시스템의 남은 작은 신호를 분리하여 매우 은밀한 설계에서라도 수익을 고를 수 있게 하는 것이 시스템의 능력이다.현재 이러한 장거리 어플리케이션은 투기적이며 실험 데이터에 의해 뒷받침되지 않는다.

보다 최근에는 레이더 탐지를 위해 얽힌 광자의 대량 발생이 워털루 대학에 의해 연구되고 있다.[17]

참조

  1. ^ Pirandola, S; Bardhan, B. R.; Gehring, T.; Weedbrook, C.; Lloyd, S. (2018). "Advances in photonic quantum sensing". Nature Photonics. 12 (12): 724–733. arXiv:1811.01969. Bibcode:2018NaPho..12..724P. doi:10.1038/s41566-018-0301-6. S2CID 53626745.
  2. ^ Shapiro, Jeffrey (2020). "The Quantum Illumination Story". IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 35 (4): 8–20. arXiv:1910.12277. doi:10.1109/MAES.2019.2957870. S2CID 204976516.
  3. ^ Sandbo Chang, C. W..; Vadiraj, A.M.; Bourassa, J.; Balaji, B.; Wilson, C.M. (2020). "Quantum-enhanced noise radar". Appl. Phys. Lett. 114 (11): 112601. arXiv:1812.03778. doi:10.1063/1.5085002. S2CID 118919613.
  4. ^ Luong, L; Balaji, B.; Sandbo Chang, C. W.; Ananthapadmanabha Rao, V. M.; Wilson, C. (2018). "Microwave Quantum Radar: An Experimental Validation". 2018 International Carnahan Conference on Security Technology (ICCST), Montreal, QC: 1–5. doi:10.1109/CCST.2018.8585630. ISBN 978-1-5386-7931-9. S2CID 56718191.
  5. ^ Barzanjeh, Shabir; Pirandola, Stefano; Vitali, David; Fink, Johannes M. (2020). "Microwave quantum illumination using a digital receiver". Science Advances. 6 (19): eabb0451. arXiv:1908.03058. Bibcode:2020SciA....6..451B. doi:10.1126/sciadv.abb0451. PMC 7272231. PMID 32548249.
  6. ^ a b c Barzanjeh, Shabir; Guha, Saikat; Weedbrook, Christian; Vitali, David; Shapiro, Jeffrey H.; Pirandola, Stefano (2015-02-27). "Microwave Quantum Illumination". Physical Review Letters. 114 (8): 080503. arXiv:1503.00189. Bibcode:2015PhRvL.114h0503B. doi:10.1103/PhysRevLett.114.080503. PMID 25768743. S2CID 10461842.
  7. ^ Tan, Si-Hui; Erkmen, Baris I.; Giovannetti, Vittorio; Guha, Saikat; Lloyd, Seth; Maccone, Lorenzo; Pirandola, Stefano; Shapiro, Jeffrey H. (2008). "Quantum Illumination with Gaussian States". Physical Review Letters. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. doi:10.1103/PhysRevLett.101.253601. PMID 19113706. S2CID 26890855.
  8. ^ Adam, David (2007-03-06). "US defence contractor looks for quantum leap in radar research". The Guardian. London. Retrieved 2007-03-17.
  9. ^ EP 보조금 1750145, 에드워드 H.앨런, 2013-03-13년 발행, 록히드 마틴사에 배정된 " 얽힌 양자 입자를 이용한 레이더 시스템과 방법"
  10. ^ 마르코 란쟈고르타, 퀀텀 레이더, 모건 & 클레이풀(2011년).
  11. ^ Lloyd, Seth (2008-09-12). "Enhanced Sensitivity of Photodetection via Quantum Illumination". Science. 321 (5895): 1463–1465. Bibcode:2008Sci...321.1463L. doi:10.1126/science.1160627. ISSN 0036-8075. PMID 18787162. S2CID 30596567.
  12. ^ Maccone, Lorenzo; Ren, Changliang (2020). "Quantum radar". Physical Review Letters. 124 (20): 200503. arXiv:1905.02672. Bibcode:2020PhRvL.124t0503M. doi:10.1103/PhysRevLett.124.200503. PMID 32501069. S2CID 146807842.
  13. ^ Sorelli, Giacomo; Treps, Nicolas; Grosshans, Frederic; Boust, Fabrice (2020). "Detecting a target with quantum entanglement". arXiv:2005.07116. {{cite journal}}:Cite 저널은 필요로 한다. journal=(도움말)
  14. ^ Torromé, Ricardo Gallego; Bekhti-Winkel, Nadya Ben; Knott, Peter (2020). "Introduction to quantum radar". arXiv:2006.14238. {{cite journal}}:Cite 저널은 필요로 한다. journal=(도움말)
  15. ^ Barzanjeh, S.; Pirandola, S.; Vitali, D.; Fink, J. M. (2020). "Microwave quantum illumination using a digital receiver". Science Advances. 6 (19): eabb0451. arXiv:1908.03058. Bibcode:2020SciA....6B.451B. doi:10.1126/sciadv.abb0451. ISSN 2375-2548. PMC 7272231. PMID 32548249.
  16. ^ "Could quantum radars expose stealth planes?". E&T magazine. Retrieved 2020-07-18.
  17. ^ Russon, Mary-Ann (24 April 2018). "Canada developing quantum radar to detect stealth aircraft". BBC.