Учёные представили квантовый лидар

Исследователи из Китайского университета науки и технологий (USTC) Китайской академии наук (CAS) представили новую теорию лидара, основанную на квантовой интерференции и успешно разработали прототип этой технологии. Работа исследователей была опубликована в журнале ACS Photonics.

Основная цель технологии лидара — «видеть дальше и чётче, измерять быстрее и точнее».

Однофотонный лидар предлагает значительные улучшения по сравнению с традиционным лидаром, достигая обнаружения одного фотона.

Исследовательская группа, возглавляемая профессором Сюэ Сянхуэем, предложила теорию использования интерференции Хонг-У-Манделя (HOM) и квантового стирания высокого порядка для демонстрации явлений квантовой интерференции с независимыми фотонами из разных источников света. HOM-интерференция — это квантовое оптическое явление, при котором интерференция происходит между двумя фотонами, даже если они не сосуществуют, демонстрируя корреляции. Квантовое стирание — это квантово-механический процесс, который может устранить или восстановить квантовую запутанность между двумя фотонами путем манипулирования дополнительными фотонами.

Иллюстрация принципа работы квантового лидара HOM (QEHOM). Источник: Prof. Xue's team

На основе этой теории команда разработала двухфотонную интерференционную атмосферную лидарную систему с использованием детектора с преобразованием вверх. Эта система отличается однофотонной чувствительностью, высокой квантовой эффективностью, широкой полосой обнаружения и многоволновой применимостью.

Результаты показали, что эта квантовая лидарная система может регистрировать оптические сигналы в полосе пропускания более 17 ГГц (что соответствует 13 км/с) с частотой дискретизации в МГц, решая проблемы высокой частоты дискретизации и хранения больших объёмов данных для слабых сигналов при непрерывном обнаружении сверхбыстрых целей.

Более того, в полевых экспериментах система квантовой интерференции лидара достигла обнаружения поля ветра на горизонтальном расстоянии 16 км с энергией 70 мкДж, что улучшило чувствительность обнаружения в 7 раз по сравнению с существующими лидарными системами, при этом последовательность обнаружения поля ветра составила R² = 0,997.

Успешное зондирование ветра на большом расстоянии демонстрирует большой потенциал этой технологии в измерении слабых сигналов. Лидар может измерять оптические частоты без использования устройства частотной дискриминации, объединяя преимущества как прямого, так и когерентного обнаружения. Система уже достигла интеграции волокон и компактности, показывая перспективность для будущих применений в непрерывном дистанционном зондировании сверхскоростных движущихся целей.

«Наша работа представляет собой значительный шаг вперёд в развитии квантового лидара, который может детектировать измерение ветра и других атмосферных параметров. Мы надеемся, что эта технология будет иметь широкое применение в различных областях, таких как метеорология, навигация и мониторинг окружающей среды», — сказал профессор Сюэ Сянхуэй.