“量子糾纏雷達(dá)”，聽起來是不是像民科？其實(shí)這可是物理學(xué)家正經(jīng)研究的黑科技，還發(fā)表在了物理學(xué)頂刊 PRL（物理評論快報(bào)）上。論文里說，這種雷達(dá)的精度可達(dá)普通雷達(dá)的 500 倍。
等一下，量子糾纏和雷達(dá)，這倆是怎么湊到一塊去的？簡單來說就是，量子糾纏可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)雷達(dá)信號衰減太快的缺點(diǎn)。
傳統(tǒng)雷達(dá)在發(fā)射信號和接收信號這兩個(gè)過程中，信號強(qiáng)度都隨距離的二次方衰減。合在一起就導(dǎo)致雷達(dá)信號隨距離的四次方衰減，也就是說，如果想把接收信號強(qiáng)度增強(qiáng)兩倍，需要把輻射強(qiáng)度提高 16 倍！
這種程度的衰減是什么概念呢？我們來看一組數(shù)據(jù)就知道了：
假如一個(gè)信號發(fā)射器功率為 1kW，加上增益為 10 的天線，去探測 5 公里外一個(gè) 1 平米的物體時(shí)，收到的反射信號只有幾納瓦。而像我們平時(shí)用的手機(jī)，在滿格信號的時(shí)候都有 0.1W 的輻射功率，是上述例子中接收到信號強(qiáng)度的一億倍。
于是，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，要么增強(qiáng)輻射，要么優(yōu)化接收。如果選前者，實(shí)在太不劃算，根據(jù)雷達(dá)信號的四次方衰減，要想把接收信號強(qiáng)度增強(qiáng)兩倍，需要把輻射強(qiáng)度提高 16 倍。因此，研究人員把目光放在接收的過程上。
這時(shí)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(xué)中獨(dú)有的一種現(xiàn)象，指的是微觀粒子在一些物理性質(zhì)上會(huì)有關(guān)聯(lián)，天生就是配對的。
舉個(gè)栗子，有一副正常的手套分裝在兩個(gè)盒子里，一定會(huì)有一只左手和一只右手。當(dāng)確定其中一個(gè)的時(shí)候，另一個(gè)也隨之確定，無論這兩個(gè)盒子距離有多遠(yuǎn)。
像這樣有某種暗戳戳的聯(lián)系的兩個(gè)微觀粒子就處于糾纏態(tài)。于是，研究人員想：如果我們生成一些相互糾纏的光子，然后只發(fā)射一半，等到信號被反射回來時(shí)，再用剩下的一半做對比。
無論信號怎么衰減，這些孿生光子都可以輕松配對，豈不是可以大大提高雷達(dá)精度？
計(jì)算結(jié)果也確實(shí)如其所料。Quntao Zhuang 和 Jeffrey 推導(dǎo)出，量子雷達(dá)的均方距離延遲精度要比傳統(tǒng)的雷達(dá)高幾十個(gè)分貝。除了理論推理，研究人員還用無人機(jī)來實(shí)際檢測了一下量子雷達(dá)精度。在 100m 遠(yuǎn)處檢測無人機(jī)的情境下，量子雷達(dá)比傳統(tǒng)雷達(dá)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(dá)的表現(xiàn)：
從圖中大體可以看出，量子雷達(dá)在全部信噪比區(qū)間都比傳統(tǒng)雷達(dá)要好。在信噪比較高（達(dá)到 15-20 分貝）時(shí)，量子雷達(dá)（紅線）比傳統(tǒng)雷達(dá)（藍(lán)線和青線）有小幅精確度優(yōu)勢。在較低信噪比情況下優(yōu)勢更為明顯，例如信噪比在 5-10 分貝之間時(shí)，量子雷達(dá)的精度大約是傳統(tǒng)雷達(dá)的 500 倍。
作者簡介
這項(xiàng)工作的研究人員是莊群濤和 Jeffrey H. Shapiro。
莊群濤在 2013 年畢業(yè)于北京大學(xué)，2018 年拿到麻省理工的物理學(xué)博士學(xué)位，目前在亞利桑那大學(xué)任助理教授。
而 Jeffrey H. Shapiro 是麻省理工電子研究實(shí)驗(yàn)室前主任，也是麻省理工光學(xué)和量子通信組主任。
參考鏈接：
[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/
[3}https://www.technologyreview.com/2019/08/23/75512/quantum-radar-has-been-demonstrated-for-the-first-time/
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