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 “量子糾纏雷達(dá)”，聽起來(lái)是不是像民科？

其實(shí)這可是物理學(xué)家正經(jīng)研究的黑科技，還發(fā)表在了物理學(xué)頂刊PRL（物理評(píng)論快報(bào)）上。

論文里說(shuō)，這種雷達(dá)的精度可達(dá)普通雷達(dá)的500倍。

等一下，量子糾纏和雷達(dá)，這倆是怎么湊到一塊去的？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，量子糾纏可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)衰減太快的缺點(diǎn)。

傳統(tǒng)雷達(dá)在發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)這兩個(gè)過(guò)程中，信號(hào)強(qiáng)度都隨距離的二次方衰減。

合在一起就導(dǎo)致雷達(dá)信號(hào)隨距離的四次方衰減。

這種程度的衰減是什么概念呢？我們來(lái)看一組數(shù)據(jù)就知道了：

假如一個(gè)信號(hào)發(fā)射器功率為1kW，加上增益為10的天線，去探測(cè)5公里外一個(gè)1平米的物體時(shí)，收到的反射信號(hào)只有幾納瓦。

而像我們平時(shí)用的手機(jī)，在滿格信號(hào)的時(shí)候都有0.1W的輻射功率，是上述例子中接收到信號(hào)強(qiáng)度的一億倍。

于是，為了拯救這種程度的衰減，研究人員開始想辦法：方向無(wú)非是兩種，要么增強(qiáng)輻射，要么優(yōu)化接收。

如果選前者，實(shí)在太不劃算，根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的四次方衰減，要想把接收信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)兩倍，需要把輻射強(qiáng)度提高16倍。

因此，研究人員把目光放在接收的過(guò)程上。

這時(shí)候，量子糾纏登場(chǎng)了。

量子糾纏如何提高精度

量子糾纏是量子力學(xué)中獨(dú)有的一種現(xiàn)象，指的是微觀粒子在一些物理性質(zhì)上會(huì)有關(guān)聯(lián)，天生就是配對(duì)的。

舉個(gè)栗子，有一副正常的手套分裝在兩個(gè)盒子里，一定會(huì)有一只左手和一只右手。當(dāng)確定其中一個(gè)的時(shí)候，另一個(gè)也隨之確定，無(wú)論這兩個(gè)盒子距離有多遠(yuǎn)。

像這樣有某種暗戳戳的聯(lián)系的兩個(gè)微觀粒子就處于糾纏態(tài)。

于是，研究人員想：如果我們生成一些相互糾纏的光子，然后只發(fā)射一半，等到信號(hào)被反射回來(lái)時(shí)，再用剩下的一半做對(duì)比。

無(wú)論信號(hào)怎么衰減，這些孿生光子都可以輕松配對(duì)，豈不是可以大大提高雷達(dá)精度？

計(jì)算結(jié)果也確實(shí)如其所料。

Quntao Zhuang和Jeffrey推導(dǎo)出，量子雷達(dá)的均方距離延遲精度要比傳統(tǒng)的雷達(dá)高幾十個(gè)分貝。

除了理論推理，研究人員還用無(wú)人機(jī)來(lái)實(shí)際檢測(cè)了一下量子雷達(dá)精度。在100m遠(yuǎn)處檢測(cè)無(wú)人機(jī)的情境下，量子雷達(dá)比傳統(tǒng)雷達(dá)的精度高了60倍。

兩者的對(duì)比可以直觀得從下圖中看出，其中橫軸代表信噪比，縱軸代表均方距離延遲精度（越低越好），紅線為量子雷達(dá)的表現(xiàn)：

從圖中大體可以看出，量子雷達(dá)在全部信噪比區(qū)間都比傳統(tǒng)雷達(dá)要好。

在信噪比較高（達(dá)到15-20分貝）時(shí)，量子雷達(dá)（紅線）比傳統(tǒng)雷達(dá)（藍(lán)線和青線）有小幅精確度優(yōu)勢(shì)。

在較低信噪比情況下優(yōu)勢(shì)更為明顯，例如信噪比在5-10分貝之間時(shí)，量子雷達(dá)的精度大約是傳統(tǒng)雷達(dá)的500倍。

作者簡(jiǎn)介

這項(xiàng)工作的研究人員是莊群韜和Jeffrey H. Shapiro。

莊群韜在2013年畢業(yè)于北京大學(xué)，2018年拿到麻省理工的物理學(xué)博士學(xué)位，目前在亞利桑那大學(xué)任助理教授。

而Jeffrey H. Shapiro是麻省理工電子研究實(shí)驗(yàn)室前主任，也是麻省理工光學(xué)和量子通信組主任。