Новости из Китайского университета науки и технологий (USTC), недавно команда LIDAR под руководством профессора Сянхуэй Сюэ достигла значительного прогресса в исследовании квантовых систем LIDAR. Команда впервые выдвинула теорию лидара для измерения ветра, основанную на принципе квантовой интерференции с преобразованием вверх, и на основе этого теоретического новшества успешно разработала прототип. По сравнению с традиционным когерентным радаром для измерения ветра, новая система реализует динамический диапазон обнаружения скорости 0-13км/с и улучшение чувствительности обнаружения в 7-раз. Этот результат был опубликован 15 августа 2024 года в ACS Photonics.
«Видеть далеко, видеть хорошо, измерять быстро и измерять точно» — вот цель, преследуемая LIDAR. Однофотонный LIDAR достигает обнаружения чувствительности к одному фотону по сравнению с обычным LIDAR, что значительно улучшило производительность. Однако теория квантового радара, использующая более квантовые принципы точного измерения, все еще находится в стадии разработки. С момента открытия двухфотонной (HOM) интерференции в 1987 году HOM-интерференция стала ключевым краеугольным камнем в различении квантовых явлений от классической физики, ознаменовав начало новой эры квантовых исследований.HOM-интерференция не только играет фундаментальную роль в точных измерениях времени и анализе квантового состояния, но и является центральной для различных приложений в квантовой обработке информации. Инновация в теории квантовых точных измерений и приложений, основанных на HOM-интерференции, стала актуальной исследовательской точкой.
Группа Сянхуэй Сюэ использует интерференцию HOM и квантовое стирание более высокого порядка, чтобы заставить независимые фотоны от разных источников света демонстрировать явления квантовой интерференции, и разрабатывает двухфотонную интерферометрическую атмосферную лидарную систему на основе детекторов с преобразованием вверх на основе этой теории. Этот подход обеспечивает чувствительность к одному фотону, высокую квантовую эффективность, большую полосу обнаружения и применимость на нескольких длинах волн. Используя квантовое стирание в сочетании с методом оптической компрессионной выборки, эта квантовая радарная система способна регистрировать оптические сигналы с частотой выборки МГц в полосе пропускания 17 ГГц (что соответствует 13 км/с), что решает проблему высокой частоты выборки и большой емкости хранения данных слабых сигналов при непрерывном обнаружении сверхскоростных целей и прокладывает путь к реализации обнаружения сверхскоростных непрерывных скоростей до десятков километров в секунду.
Полоса обнаружения более 17 ГГц, ошибка обнаружения частоты менее или равна 60 МГц (погрешность измерителя длины волны 60 МГц)
В полевом эксперименте система квантового интерференционного радара использует энергию 70 мкДж для обнаружения поля ветра на горизонтальном расстоянии 16 км, что обеспечивает 7-кратное улучшение чувствительности обнаружения с последовательностью обнаружения поля ветра R2=0.997 по сравнению с существующей системой LiDAR.
Обнаружение поля ветра на расстоянии 16 км с использованием энергии 70 мкДж
Суть этой технологии заключается в использовании явления двухфотонной интерференции и улучшении отношения сигнал/шум путем подавления шума посредством квантового стирания. Двухфотонная интерференция — это квантовое оптическое явление, при котором два фотона интерферируют друг с другом, и корреляции наблюдаются даже тогда, когда они не присутствуют одновременно. Квантовое стирание, с другой стороны, — это квантово-механический процесс, который можно использовать для устранения или восстановления состояния квантовой запутанности между двумя фотонами путем манипулирования дополнительными фотонами.
Телеметрия продемонстрировала, что эта технология имеет большой потенциал для измерения слабых сигналов. Оптические частоты могут быть обнаружены без использования устройства дискриминации частот, новый метод обнаружения, который сочетает преимущества прямого и когерентного обнаружения. Радарная система была интегрирована в оптоволокно и компактна, с потенциальными будущими приложениями для непрерывных измерений дистанционного зондирования сверхскоростных движущихся твердых и мягких целей.
