El radar cuántico es una tecnología especulativa de teledetección basada en efectos mecánicos cuánticos, como el principio de incertidumbre o el entrelazamiento cuántico . En términos generales, un radar cuántico puede verse como un dispositivo que trabaja en el rango de microondas, que explota las características cuánticas, desde el punto de vista de la fuente de radiación y / o la detección de salida, y es capaz de superar a una contraparte clásica. Un enfoque se basa en el uso de correlaciones cuánticas de entrada (en particular, entrelazamiento cuántico) combinado con una detección cuántica interferométrica adecuada en el receptor (fuertemente relacionada con el protocolo de iluminación cuántica).). Allanar el camino para un prototipo tecnológicamente viable de un radar cuántico implica la resolución de una serie de desafíos experimentales como se discute en algunos artículos de revisión, [1] [2] el último de los cuales señaló "informes inexactos" en los medios. Los diseños experimentales actuales parecen estar limitados a rangos muy cortos, del orden de un metro, [3] [4] [5], lo que sugiere que las aplicaciones potenciales podrían ser, en cambio, la vigilancia de cerca o el escaneo biomédico.
Concepto detrás de un modelo para microondas
Un equipo internacional [6] propuso un modelo de rango de microondas de un radar cuántico en 2015 y se basa en el protocolo de iluminación cuántica gaussiana. [7] El concepto básico es crear una corriente de fotones de frecuencia visible entrelazados y dividirla por la mitad. La mitad, el "haz de señales", pasa por una conversión a frecuencias de microondas de una manera que conserva el estado cuántico original . La señal de microondas se envía y recibe como en un sistema de radar normal . Cuando se recibe la señal reflejada, se convierte de nuevo en fotones visibles y se compara con la otra mitad del haz entrelazado original, el "haz loco".
Aunque la mayor parte del entrelazamiento original se perderá debido a la decoherencia cuántica a medida que las microondas viajen a los objetos objetivo y regresen, todavía quedarán suficientes correlaciones cuánticas entre la señal reflejada y los haces inactivos. Usando un esquema de detección cuántica adecuado, el sistema puede seleccionar solo aquellos fotones que fueron enviados originalmente por el radar, filtrando completamente cualquier otra fuente. Si se puede hacer que el sistema funcione en el campo, representa un enorme avance en la capacidad de detección.
Una forma de derrotar a los sistemas de radar convencionales es transmitir señales en las mismas frecuencias utilizadas por el radar, lo que hace imposible que el receptor distinga entre sus propias transmisiones y la señal de suplantación de identidad (o "interferencia"). Sin embargo, estos sistemas no pueden saber, ni siquiera en teoría, cuál era el estado cuántico original de la señal interna del radar. A falta de dicha información, sus transmisiones no coincidirán con la señal original y se filtrarán en el correlacionador. Las fuentes ambientales, como el desorden del suelo y las auroras , también se filtrarán.
Historia
Un diseño fue propuesto en 2005 por el contratista de defensa Lockheed Martin . [8] [9] La patente de este trabajo se otorgó en 2013. El objetivo era crear un sistema de radar que proporcionara una mejor resolución y mayor detalle que los radares clásicos. [10] Sin embargo, este diseño no demostró teóricamente ninguna ventaja cuántica o una mejor resolución.
En 2015, un equipo internacional de investigadores , [6] mostró el primer diseño teórico de un radar cuántica capaz de lograr una ventaja cuántica a través de una configuración clásica. En este modelo de radar cuántico, se considera la detección remota de un objetivo de baja reflectividad que está incrustado dentro de un fondo de microondas brillante, con un rendimiento de detección mucho más allá de la capacidad de un radar de microondas clásico. Mediante el uso de un "convertidor electro-optomecánico" de longitud de onda adecuada, este esquema genera un entrelazamiento cuántico excelente entre un haz de señal de microondas, enviado para sondear la región objetivo, y un haz óptico inactivo, retenido para detección. El retorno de microondas recogido de la región objetivo se convierte posteriormente en un rayo óptico y luego se mide junto con el rayo loco. Esta técnica extiende el poderoso protocolo de iluminación cuántica [11] a su dominio espectral más natural, a saber, las longitudes de onda de microondas.
En 2019, se propuso un protocolo de radar cuántico de mejora tridimensional. [12] Podría entenderse como un protocolo de metrología cuántica para la localización de un objetivo puntual no cooperativo en un espacio tridimensional. Empleó el entrelazamiento cuántico para lograr una incertidumbre en la localización que es cuadráticamente más pequeña para cada dirección espacial de lo que podría lograrse mediante el uso de fotones independientes no entrelazados .
Los artículos de revisión que profundizan más en la historia y los diseños del radar cuántico, además de los mencionados en la introducción anterior, están disponibles en arXiv . [13] [14]
Es un desafío realizar un radar cuántico con la tecnología actual, a pesar de que se ha realizado un prototipo experimental preliminar. [15]
Desafíos y limitaciones
Hay una serie de desafíos no triviales detrás de la implementación experimental de un prototipo de radar verdaderamente cuántico, incluso a distancias cortas. De acuerdo con los diseños actuales de iluminación cuántica, un punto importante es la gestión del pulso inactivo que, idealmente, debería detectarse conjuntamente con el pulso de señal que regresa del objetivo potencial. Sin embargo, esto requeriría el uso de una memoria cuántica con un tiempo de coherencia prolongado, capaz de funcionar en momentos comparables con el viaje de ida y vuelta del pulso de señal. Otras soluciones pueden degradar demasiado las correlaciones cuánticas entre la señal y los pulsos inactivos hasta un punto en el que la ventaja cuántica puede desaparecer. Este es un problema que también afecta a los diseños ópticos de iluminación cuántica. Por ejemplo, almacenar el pulso inactivo en una línea de retardo mediante el uso de una fibra óptica estándar degradaría el sistema y limitaría el alcance máximo de un radar de iluminación cuántica a aproximadamente 11 km. [6] Este valor debe interpretarse como un límite teórico de este diseño, que no debe confundirse con un rango alcanzable. Otras limitaciones incluyen el hecho de que los diseños cuánticos actuales solo consideran una sola polarización, azimut, elevación, rango, intervalo Doppler a la vez.
Especulación de los medios sobre las aplicaciones
Existe la especulación de los medios de que un radar cuántico podría operar a grandes distancias detectando aviones furtivos, filtrar los intentos de interferencia deliberados y operar en áreas de alto ruido de fondo, por ejemplo, debido al desorden del suelo. En relación con lo anterior, existe una considerable especulación mediática sobre el uso del radar cuántico como una posible tecnología anti-sigilo. [16] Los aviones furtivos están diseñados para reflejar señales lejos del radar, típicamente usando superficies redondeadas y evitando cualquier cosa que pueda formar un reflector de esquina parcial . Esto reduce tanto la cantidad de señal devuelta al receptor del radar que el objetivo se pierde (idealmente) en el ruido de fondo térmico . Aunque las tecnologías sigilosas seguirán siendo igual de efectivas para reflejar la señal original lejos del receptor de un radar cuántico, es la capacidad del sistema de separar la pequeña señal restante, incluso cuando está inundada por otras fuentes, lo que le permite detectar la regresa incluso de diseños muy sigilosos. Por el momento, estas aplicaciones de largo alcance son especulativas y no están respaldadas por datos experimentales.
Más recientemente, la Universidad de Waterloo ha estudiado la generación de un gran número de fotones entrelazados para la detección de radar . [17]
Referencias
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