Dolanıklık numarası
Dolanık foton çiftleri üretirsiniz. Birini ('idler') laboratuvarınızda tutarsınız. Diğerini ('signal') hedefe gönderirsiniz. Sinyal döndüğünde idler ikiziyle karşılaştırırsınız. Gürültüye gömülmüş olsa bile dolanık çiftler klasik gürültünün taklit edemeyeceği şekilde ilişkilidir — bu yüzden küçük RCS'li hayalet hedef tespit edilebilir hale gelir.
Neden zor
Mikrodalga bandındaki dolanık fotonlar yalnızca mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda var olur. Süperiletken kaynak, kriyojenik dedektör gerekir ve idler'ı tüm gidiş-dönüş süresi boyunca tutarlılığını kaybetmeden saklamanız gerekir. 30 km'de bu 200 µs — bir kuantum durumu için sonsuzluk.
Gösterilen şey
Metre menzilli laboratuvar tezgahı sistemleri, klasik mikrodalga algılamaya göre mütevazı hassasiyet kazanımları. 2016 Çin 100 km iddiası bağımsız olarak hiç doğrulanmadı. 2020 ABD AFRL Quantum 2-Way Ranging programı kontrollü koşullarda yalnızca kısa menzilleri gösterdi.
Karar
Kuantum radar gerçek ve aktif bir araştırma alanıdır. Bugün konuşlandırılabilir bir sistem değildir ve muhtemelen en az bir on yıl daha olmayacak. Klasik radar mühendisliği — daha iyi dalga formları, AESA, MIMO — hayalet açığını daha hızlı kapatmaya devam ediyor.
Kuantum Aydınlatma Avantajı
Performans sınırını anlamak için Lloyd limitine bakmak gerekir. 2008'de MIT'den Seth Lloyd, kuantum aydınlatmanın klasik sensörlere kıyasla sinyal-gürültü oranında 6 dB'lik (dört kat) bir iyileşme sağlayabileceğini hesapladı. Bu teorik kazanç, dolaşıklık hedefe giden yolda çevresel dekoherans nedeniyle bozulsa bile devam eder. 6 dB'lik bir artış düşük görünürlüklü uçakları tespit etmek için önemli olsa da, popüler bilimde tasvir edilen sihirli bir çözüm değildir. Bu durum, modern düşük önleme olasılıklı (LPI) stratejilerinin tamamen geçersiz kılınmasından ziyade, termal gürültü sınırlarındaki tespit olasılığının rafine edilmesini temsil eder.
Bu avantaj, sinyal yoğunluğu ile kesin olarak sınırlandırılmıştır. Kuantum aydınlatma, yalnızca iletilen darbe aşırı derecede zayıf olduğunda klasik radardan daha iyi performans gösterir. Uzun menzilli takip için gücü pratik seviyelere çıkardığınız anda, kuantum avantajı klasik limitler içinde kaybolur. Bu durum mühendisler için bir paradoks yaratır: Sistem, sinyal standart mesafe ölçümü için çok zayıf olduğunda en etkilidir; ancak atmosferik zayıflamanın üstesinden gelmek için gücü artırdığınızda, 'stealth' uçakları bulmayı sağlayan dolaşıklık özelliği, yüksek güçlü Galyum Nitrür (GaN) vericilerinin yanında ilgisiz kalır.
Mikrodalga ve Optik Ayrımı
Kritik bir teknik engel, frekans dönüşümünde yatmaktadır. Çoğu kuantum dolaşıklık deneyi, optik frekanslarda gerçekleşir. Ancak radar, X-bandı (8-12 GHz) mikrodalga frekanslarında çalışır. Bir optik fotonu kuantum korelasyonunu koruyarak mikrodalga sinyaline dönüştürmek, elektro-opto-mekanik bir dönüştürücü gerektirir. 2015 yılında Shabir Barzanjeh gibi araştırmacılar bunu nanomekanik rezonatörler kullanarak gösterdiler, ancak bu köprülerin verimliliği hala son derece düşüktür. Bu iki dünya arasında yüksek sadakatli bir 'kuantum bağı' kurulmadığı sürece, sistem kriyojenik ortamlarla sınırlı bir laboratuvar deneyi olarak kalacaktır.
Ayrıca, atmosferik türbülans kuantum durumlarını klasik dalga cephelerinden farklı etkiler. Klasik radar dalgaları düşük frekanslarda sis veya yağmurdan nispeten etkilenmezken, kuantum korelasyonu için gereken hassas zamanlama 'jitter' etkisine karşı hassastır. Bir sinyal fotonunun fazı veya varış süresi atmosferik yoğunluk dalgalanmaları nedeniyle birkaç pikosaniye bile kaysa, depolanan foton ile korelasyon kuramaz. Bu, donanım olgunlaşsa bile, kuantum radarın yalnızca atmosferin müdahale etmediği uzay boşluğunda, uydular arası takip için güvenilir bir şekilde çalışabileceği anlamına gelir.
Çevresel Dekorens Problemi
Operasyonel kuantum radarının önündeki temel fiziksel engel, dalga fonksiyonunun termal bir ortamla etkileşime girdiği anda çökmesidir. Klasik bir radar palsi katrilyonlarca foton içerirken, kuantum aydınlatma kaynağı zamansal mod başına tek foton seviyesinde çalışır. Sinyal fotonu atmosfere girdiği anda güneş radyasyonu ve termal gürültüden oluşan bir engelle karşılaşır. Mikrodalga frekanslarında, oda sıcaklığındaki arka plan termal gürültüsü mod başına yaklaşık 1.000 fotondur. 'Dolanıklık hilesinin' işe yaraması için alıcının, tek bir sinyal fotonunu bu devasa gürültü duvarından ayırt etmesi gerekir; bu da boşta bekleyen (idler) fotonun faz kararlılığını mükemmel bir hassasiyetle korumasını zorunlu kılar.
Bu kararlılığı sağlamak sadece soğuk donanım değil, aynı zamanda 'kuantum bellek' sorununa bir çözüm gerektirir. Geri dönen sinyali boşta bekleyen fotonla ilişkilendirmek için, boşta bekleyen fotonun herhangi bir çevresel müdahale olmaksızın kuantum durumunu koruyan süper iletken bir boşlukta tutulması gerekir. Mevcut malzeme bilimi, bir mikrodalga fotonunu uzun menzilli bir uçuş süresi boyunca (kilometre başına yaklaşık 6,7 mikrosaniye) durumu bozunmadan tutacak kadar yüksek bir Q faktörüne sahip bir depolama ortamı üretememektedir. Bu depolama darboğazı çözülene kadar, kuantum radarı kısa menzilli laboratuvar sensörleriyle sınırlı kalacaktır.
Asimetrik Gürültü Bağışıklığı
Kuantum aydınlatmanın genellikle göz ardı edilen bir avantajı, aktif karıştırma ve aldatmaya (spoofing) karşı doğal direncidir. Klasik bir elektronik harp senaryosunda, bir rakip radar sinyalini yakalayıp değiştirilmiş bir versiyonunu 'hayalet' bir hedef oluşturmak için yeniden iletebilir. Ancak, kuantum radarı sinyal ve boşta bekleyen fotonlar arasındaki spesifik kuantum korelasyonuna dayandığından, rakip dolanık idler fotonuna da sahip olmadıkça sinyali taklit edemez. Idler fotonu vericinin güvenli kriyojenik muhafazasından asla ayrılmadığı için rakibin bu imzayı kopyalaması imkansızdır. Bir karıştırıcı tarafından enjekte edilen yapay gürültü kuantum korelasyonundan yoksun olacak ve alıcı tarafından filtrelenecektir.
Sayısal karşılaştırmalar bu avantajın keskinliğini ortaya koymaktadır. Sinyal-gürültü oranının (SNR) 1'in önemli ölçüde altında olduğu ortamlarda, klasik radar teorisi güç artırılmadan tespitin imkansız olduğunu söyler. Seth Lloyd tarafından 2008'de önerilen kuantum aydınlatma, eşit güçteki en iyi klasik sensöre kıyasla hata olasılığında 6 dB'lik (dört kat) bir iyileşme sunar. 6 dB mütevazı görünse de, hayalet uçak tespiti bağlamında bu, net bir kilitlenme ile boş bir ekran arasındaki farkı temsil eder. Bu avantaj, yolculuk sırasında dolanıklık kaybolsa bile başlangıçtaki korelasyon kurulduğu sürece devam eder; buna 'kuantum destekli' klasik algılama denir.