Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики впервые создали микроволновый сверхпроводящий квантовый радар

S. Barzanjeh, et al. / Science Advances, 2020

Группа физиков создала квантовый радар, использующий запутанные микроволновые фотоны, которые рождаются в сверхпроводящей нелинейной системе. Ученые экспериментально показали превосходства такого радара над классическими аналогами. Работа представлена в журнале Science Advances.

Использование квантовых ресурсов позволяет не только ускорить вычисления (что реализуется в квантовых компьютерах), но и усовершенствовать другие технологии, такие как детектирование слабых сигналов. Последнее может использоваться в биологии, медицине, геологии и даже в исследованиях космоса. Микроскопические квантовые детекторы позволяют, например фиксировать слабые магнитные поля, которые проникают непосредственно внутрь экспериментальной установки.

Квантовые радары работают несколько по-другому. Они рождают квантово-коррелированные частицы, которые могут быть использованы для детектирования объектов. В англоязычной литературе такой подход называется квантовой подсветкой (quantum illumination), он был впервые предложен в 2008 году американским ученным Сетом Ллойдом. Квантовая подсветка основана на квантовой запутанности между частицами (в работе Ллойда речь шла о фотонах), которая позволяет использовать одиночные частицы. В результате такой детектор становится неинвазивным — со стороны объекта практически невозможно сказать, произошло детектирование или нет. Такой подход очень актуален в биомедицине, также в нем заинтересованы военные.

C 2008 года было предложено несколько реализаций на оптических фотонах (терагерцовые частоты), однако микроволновый диапазон (гигагерцовые частоты), который активно используется в квантовых вычислениях, не был изучен с точки зрения квантового детектирования. Теперь физики под руководством профессора Йоханесса Финка (Johannes Fink) создали и протестировали первый прототип микроволнового квантового радара на основе Джозефсоновского параметрического осциллятора, охлажденного до нескольких милликельвинов.

Группа использовала эффект параметрического рассеяния в сверхпроводящей системе, которая содержала Джозефсоновские контакты. Такие контакты также используются в сверхпроводящих квантовых компьютерах. Система накачивалась микроволновым сигналом, из-за чего рождалась пара запутанных фотонов, каждый из которых отправлялся по разным каналам.


Один из каналов вел к детектируемому объекту, который находился при комнатной температуре. Фотон отражался от объекта, если объект присутствовал, и покидал измерительную схему, если объекта не было. В то же время второй фотон по другому каналу отправлялся в детектор, который также находился при комнатной температуре. Если объект находился там, где его ожидали увидеть, то первый фотон так же попадал на детектор. Таким образом наличие двух запутанных фотонов свидетельствовало о том, что объект был задетектирован. Запутанность проверяли путем измерения корреляций в измеряемых сигналах.


Квантовое превосходство такого метода состоит в том, что если бы объекта не было, то вероятность того, что детектор покажет пару запутанных фотонов, невероятно мала, потому что запутанность создана искусственно — если взять случайно пару фотонов из разных точек пространства, то они почти наверняка окажутся незапутанными.

Ученые смогли провести детектирование объекта на расстоянии до 1 метра, причем мощность используемого сигнала была ниже, чем в классическом случае. Для этого физики измерили отношения мощности сигнала к шуму, чем выше это значение, тем меньшие мощности могут быть использованы.


Ранее мы писали о том, что китайские ученые представили прототип квантового радара. Больше про технологии, которые используются в квантовых радарах, вы можете прочитать в нашем материале «Квантовые технологии».

Михаил Перельштейн

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.