Wissenschaftler stellen Quantenradar vor: 500 Mal genauer

„Quantenverschränkungsradar“, klingt das nach ziviler Wissenschaft?

Tatsächlich handelt es sich um eine schwarze Technologie, an der Physiker ernsthaft arbeiten und die in der renommierten Physikzeitschrift PRL (Physical Review Letters) veröffentlicht wurde.

In dem Papier heißt es, dass dieses Radar 500 Mal genauer sein kann als ein gewöhnliches Radar.

Vereinfacht gesagt, kann die Quantenverschränkung die Unzulänglichkeiten des herkömmlichen Radars ausgleichen, das Signale zu schnell abschwächt.

Beim herkömmlichen Radar nimmt die Signalstärke sowohl beim Senden als auch beim Empfangen als quadratische Funktion der Entfernung ab.

Zusammengenommen führt dies zu einem Radarsignal, das sich mit der Entfernung quadratisch abschwächt, was bedeutet, dass eine Erhöhung der empfangenen Signalstärke um den Faktor zwei eine Erhöhung der Strahlungsstärke um den Faktor 16 erfordern würde!

Was versteht man unter diesem Grad der Abschwächung? Schauen wir uns eine Reihe von Zahlen an, um das zu sehen.

Wenn ein Signalsender mit einer Leistung von 1 kW und einer Antenne mit einem Gewinn von 10 ein 1 m2 großes Objekt in 5 km Entfernung erfassen würde, würde er nur wenige Nanowatt an reflektiertem Signal empfangen.

Ein Mobiltelefon, wie wir es normalerweise benutzen, hat bei vollem Signal eine Strahlungsleistung von 0,1 W, was dem 100-Millionenfachen der Stärke des im obigen Beispiel empfangenen Signals entspricht.

Um diese Abschwächung zu vermeiden, haben die Forscher nach Wegen gesucht: Es gibt nur zwei Möglichkeiten, entweder die Strahlung zu verstärken oder den Empfang zu optimieren.

Es wäre zu unwirtschaftlich, sich für Ersteres zu entscheiden, und aufgrund der quadratischen Dämpfung des Radarsignals würde eine Erhöhung der empfangenen Signalstärke um den Faktor zwei eine Erhöhung der Strahlungsstärke um den Faktor 16 erfordern.

Daher konzentrierten sich die Forscher auf den Prozess der Rezeption.

An dieser Stelle kommt die Quantenverschränkung ins Spiel.

Wie die Quantenverschränkung die Genauigkeit verbessert

Die Quantenverschränkung ist ein einzigartiges Phänomen der Quantenmechanik, das sich auf die Tatsache bezieht, dass mikroskopische Teilchen in einigen physikalischen Eigenschaften miteinander verbunden sein können und von Natur aus gepaart sind.

Zum Beispiel gibt es ein Paar normale Handschuhe in zwei Kisten, es muss eine linke und eine rechte Hand geben. Wenn eines identifiziert wird, wird das andere mit ihm identifiziert, unabhängig davon, wie weit die beiden Felder voneinander entfernt sind.

Zwei mikroskopische Teilchen, die auf diese Weise miteinander verbunden sind, befinden sich in einem verschränkten Zustand.

Die Forscher dachten also: Was wäre, wenn wir einige miteinander verschränkte Photonen erzeugen, dann nur die Hälfte davon aussenden und warten, bis das Signal zurückreflektiert wird, um dann die andere Hälfte zum Vergleich zu verwenden.

Unabhängig davon, wie stark das Signal abgeschwächt wird, können diese Zwillingsphotonen leicht gepaart werden, würde das nicht die Genauigkeit des Radars verbessern?

Die Ergebnisse der Berechnungen waren tatsächlich wie erwartet.

Quntao Zhuang und Jeffrey stellten fest, dass die mittlere quadratische Entfernungsverzögerungsgenauigkeit des Quantenradars um einige Dezibel besser ist als die des herkömmlichen Radars.

Zusätzlich zu den theoretischen Überlegungen setzten die Forscher auch eine Drohne ein, um die Genauigkeit des Quantenradars in der Praxis zu überprüfen. Bei der Erkennung einer Drohne in 100 m Entfernung war das Quantenradar 60-mal genauer als ein herkömmliches Radar.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, übertrifft das Quantenradar das konventionelle Radar in allen Signal-Rausch-Bereichen.

Bei höheren Signal-Rausch-Verhältnissen (bis zu 15-20 dB) hat das Quantenradar (rote Linie) einen kleinen Genauigkeitsvorteil gegenüber dem konventionellen Radar (blaue und cyanfarbene Linien).

Der Vorteil ist bei niedrigeren S/N-Verhältnissen noch ausgeprägter, z. B. ist das Quantenradar bei S/N-Verhältnissen zwischen 5 und 10 dB etwa 500 Mal genauer als das herkömmliche Radar.

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