Quantenradar: Verschränkte Photonen sorgen für genauere Ergebnisse

Radartechnologie kommt in allen möglichen Bereich zum Einsatz: Der Luftraumüberwachung, der Ortung und Überwachung von Stürmen, als Bodenradar zum Aufspüren unter der Erde verborgener Gegenstände oder auch auf Schiffen zur Überwachung des umgebenden Meeres. Radargeräte machen mithilfe reflektierender Mikrowellen selbst nicht sichtbare Objekte und Strukturen sichtbar. Aber die Technologie hat ihre Grenzen. Forscher des Institute of Science and Technology Austria (IST) haben nun ein Quantenradar entwickelt, das wesentlich genauer als herkömmliche Radargeräte arbeitet.

Verschränkte Photonen verbessern Radartechnologie

Die Grenzen der Radartechnologie sind zumeist dann erreicht, wenn mit sehr kleinen Signalleistungen gearbeitet wird. Dies ist etwa bei Sicherheitsscannern oder in der biomedizinischen Bildgebung der Fall. Derartige Systeme haben oft Schwierigkeiten, die schwache Strahlung, die das Objekt reflektiert, von Hintergrundstrahlungsrauschen zu differenzieren.

Die Forscher rund um Shabir Barzanjeh vom IST haben eine neue Radartechnologie entwickelt, bei der verschränkte Mikrowellen-Photonen die Genauigkeit des Radars auch in Umgebungen mit viel Hintergrundrauschen deutliche erhöhen. „ Bei der Quantenillumination ist es das Ziel, ein gering reflektierendes Objekt trotz starkem thermischen Rauschen zu erkennen. Das wird erreicht, indem man das Ziel mit einem verschränkten Photon in unmerklicher, nichtinvasiver Weise abtastet„, so die Forscher.

Das neuartige Radar erzeugt zunächst Paare verschränkter Photonen. Von diesen Photonenpaaren wird jeweils ein einzelnes Photon als Signal in Richtung des zu erkennenden Objekts gesendet. Das verschränkte Partnerphoton, das die Forscher als „Idler“ bezeichnen, verbleibt im Radargerät. Wenn das Signalphoton auf das Zielobjekt trifft und von diesem reflektiert und vom Radar wieder eingefangen wird, geht die Verschränkung verloren. Einige Korrelationen überstehen diesen Vorgang jedoch, was es deutlich leichter macht, die reflektierten Photonen vom Rauschen im Hintergrund zu differenzieren.

Prototyp besteht ersten Test

Ein Prototyp des neuen Radargerätes existiert auch bereits. Als Quelle der verschränkten Mikrowellen-Photonen verwendeten die Forscher einen stark heruntergekühlten Supraleiter-Schaltkreis. In einem ersten Test lenkte das Team die Signal-Photonen auf eine kleine Kupferplatte. Dort wurden die Photonen bei Raumtemperatur reflektiert und anschließend von einem digitalen Empfänger wieder aufgefangen.

„ Signal und Idler werden dann durch zwei verschiedene Messleitungen geschickt, wo sie verstärkt, gefiltert und auf eine Zwischenfrequenz von 20 Megahertz heruntertransformiert werden. Mithilfe von Quantenverschränkung, die bei einigen Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt erzeugt wurde, konnten wir Objekte mit sehr geringer Reflektivität bei Raumtemperatur detektieren„, erläutern die Forscher.

Langer Weg zur praktischen Anwendung

Bisher handelt es sich nur im ein sogenanntes Proof of Concept, also den praktischen Nachweis, dass die Technologie dem Grunde nach funktionieren kann. Die Forscher sind aber überzeugt davon, dass ihre neue Detektionsmethode trotz des wegen der verschränkten Photonen erhöhten Aufwands gegenüber den klassischen Radargeräten deutliche Vorteile bei bestimmten Anwendungen hat. „ Im Vergleich zu klassischen kohärenten Detektoren sehen wir unter denselben Bedingungen und bei sehr geringer Signalstärke, dass die quantenverstärkte Detektion überlegen sein kann. Die zentrale Aussage unserer Forschung ist, dass Quantenradare und Mikrowellen Quantenillumination nicht nur in der Theorie existieren, sondern auch in der Praxis möglich sind„, so Barzanjeh. Mögliche Anwendungsbereiche seien etwa biomedizinische Nierigenergie-Bildgebungsverfahren sowie Sicherheitsscanner. Nun geht es darum, das neue Quantenradar reif für die praktische Anwendung zu machen.

via IST Austria

Teile den Artikel oder unterstütze uns mit einer Spende.