Νέα από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC), πρόσφατα, η ομάδα LIDAR με επικεφαλής τον καθηγητή Xianghui Xue έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στην έρευνα των κβαντικών συστημάτων LIDAR. Η ομάδα για πρώτη φορά πρότεινε τη θεωρία της μέτρησης του ανέμου lidar με βάση την αρχή της κβαντικής παρεμβολής upconversion και με βάση αυτή τη θεωρητική καινοτομία ανέπτυξε με επιτυχία ένα πρωτότυπο. Σε σύγκριση με το παραδοσιακό συνεκτικό ραντάρ μέτρησης ανέμου, το νέο σύστημα πραγματοποιεί δυναμικό εύρος ανίχνευσης ταχύτητας 0-13km/s και 7-πλάσια βελτίωση στην ευαισθησία ανίχνευσης. Αυτό το αποτέλεσμα δημοσιεύτηκε στις 15 Αυγούστου 2024 στο ACS Photonics.
«Βλέποντας μακριά, βλέποντας ωραία, μετρώντας γρήγορα και μετρώντας με ακρίβεια» είναι ο στόχος που επιδιώκει το LIDAR. Το LIDAR ενός φωτονίου επιτυγχάνει ανίχνευση ευαισθησίας ενός φωτονίου σε σύγκριση με το συμβατικό LIDAR, το οποίο έχει βελτιώσει σημαντικά την απόδοση. Ωστόσο, η θεωρία του κβαντικού ραντάρ που χρησιμοποιεί περισσότερες αρχές μέτρησης κβαντικής ακρίβειας βρίσκεται ακόμα στο στάδιο ανάπτυξης. Από την ανακάλυψη της παρεμβολής δύο φωτονίων (HOM) το 1987, η παρεμβολή HOM έχει γίνει βασικός ακρογωνιαίος λίθος στη διάκριση των κβαντικών φαινομένων από την κλασική φυσική, σηματοδοτώντας την αυγή μιας νέας εποχής κβαντικής εξερεύνησης. Η παρεμβολή HOM όχι μόνο παίζει θεμελιώδη ρόλο στην ακριβή μετρήσεις χρόνου και ανάλυση κβαντικής κατάστασης, αλλά είναι επίσης κεντρικό σε διάφορες εφαρμογές στην κβαντική επεξεργασία πληροφοριών. Η καινοτομία της θεωρίας και της εφαρμογής κβαντικής μέτρησης ακριβείας που βασίζεται στην παρεμβολή HOM έχει γίνει ένα τρέχον ερευνητικό hotspot.
Η ομάδα του Xianghui Xue χρησιμοποιεί παρεμβολές HOM και κβαντική διαγραφή υψηλότερης τάξης για να κάνει ανεξάρτητα φωτόνια από διαφορετικές πηγές φωτός να παρουσιάζουν φαινόμενα κβαντικής παρεμβολής και αναπτύσσει ένα συμβολομετρικό ατμοσφαιρικό σύστημα lidar δύο φωτονίων που βασίζεται σε ανιχνευτές ανοδικής μετατροπής με βάση αυτή τη θεωρία. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει ευαισθησία ενός φωτονίου, υψηλή κβαντική απόδοση, μεγάλο εύρος ζώνης ανίχνευσης και δυνατότητα εφαρμογής πολλαπλών μηκών κύματος. Χρησιμοποιώντας κβαντική διαγραφή σε συνδυασμό με μέθοδο οπτικής συμπίεσης δειγματοληψίας, αυτό το σύστημα κβαντικού ραντάρ είναι σε θέση να καταγράφει οπτικά σήματα με ρυθμό δειγματοληψίας MHz σε εύρος ζώνης 17 GHz (που αντιστοιχεί σε 13 km/s), το οποίο λύνει το πρόβλημα του υψηλού ρυθμού δειγματοληψίας και μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης δεδομένων αδύναμων σημάτων στη συνεχή ανίχνευση στόχων υπερυψηλών ταχυτήτων και ανοίγει το δρόμο για την πραγματοποίηση ανίχνευσης συνεχών ταχυτήτων εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας έως και δεκάδες χιλιόμετρα/δευτερόλεπτο.
Εύρος ζώνης ανίχνευσης άνω των 17 GHz, σφάλμα ανίχνευσης συχνότητας Λιγότερο ή ίσο με 60 MHz (σφάλμα μετρητή μήκους κύματος 60 MHz)
Στο πείραμα εκτός πεδίου, το σύστημα ραντάρ κβαντικής παρεμβολής χρησιμοποιεί ενέργεια 70μJ για να πραγματοποιήσει ανίχνευση αιολικού πεδίου σε οριζόντια απόσταση 16km, η οποία επιτυγχάνει 7-πλάσια βελτίωση στην ευαισθησία ανίχνευσης με συνέπεια ανίχνευσης πεδίου ανέμου R{{3} }.997 σε σύγκριση με το υπάρχον σύστημα LiDAR.
Ανίχνευση αιολικού πεδίου σε απόσταση 16km με χρήση ενέργειας 70μJ
Ο πυρήνας αυτής της τεχνολογίας είναι η χρήση του φαινομένου παρεμβολής των δύο φωτονίων και η βελτίωση της αναλογίας σήματος προς θόρυβο με την καταστολή του θορύβου μέσω της κβαντικής διαγραφής. Η παρεμβολή δύο φωτονίων είναι ένα κβαντικό οπτικό φαινόμενο στο οποίο δύο φωτόνια παρεμβάλλονται μεταξύ τους και παρατηρούνται συσχετίσεις ακόμα και όταν δεν υπάρχουν ταυτόχρονα. Η κβαντική διαγραφή, από την άλλη πλευρά, είναι μια κβαντομηχανική διαδικασία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξάλειψη ή την αποκατάσταση της κατάστασης της κβαντικής εμπλοκής μεταξύ δύο φωτονίων με το χειρισμό πρόσθετων φωτονίων.
Η τηλεμετρία έχει δείξει ότι η τεχνική έχει μεγάλες δυνατότητες για μετρήσεις ασθενούς σήματος. Οι οπτικές συχνότητες μπορούν να ανιχνευθούν χωρίς τη χρήση συσκευής διάκρισης συχνότητας, μιας νέας μεθόδου ανίχνευσης που συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της άμεσης και συνεκτικής ανίχνευσης. Το σύστημα ραντάρ έχει ενσωματωθεί και συμπιεστεί με οπτικές ίνες, με πιθανές μελλοντικές εφαρμογές για συνεχείς μετρήσεις τηλεπισκόπησης εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας κινούμενων σκληρών και μαλακών στόχων.
