量子技术是一种利用量子力学原理操作的广泛设备，在某些任务上可以显著优于经典设备。因此，世界各地的物理学家和工程师一直在努力实现这种长期寻求的优于经典计算方法的“量子优势”。
法国里昂高等师范学院(Ecole Normale supacririeure de Lyon)的一个研究小组最近开发了一种量子雷达，其性能明显优于所有现有的基于经典方法的雷达。发表在《自然物理》杂志上的一篇论文介绍了这种新型雷达，它可以同时测量一个纠缠探针和空闲微波光子状态，当探针从目标物体反射回来时，与热噪声合并。
“我们在2020年发明了一种超导电路，除其他外，它能够产生纠缠，存储和操纵微波量子态，并计算微波场中的光子数量，”进行这项研究的研究人员之一本杰明·霍华德告诉Phys.org。“然后我们意识到它具有解决微波量子计量中最大挑战之一所需的所有功能:在雷达传感中展示量子优势。”
过去的几项研究试图开发优于传统雷达的量子雷达。这种量子优势最终是通过光学系统实现的，但在本研究之前，还没有通过微波辐射实现。
因此，霍华德和他的同事是第一个开发出基于微波的量子雷达的人，这种雷达的性能比迄今为止报道的任何经典雷达技术都要好得多。他们的雷达工作原理是利用超越经典物理理论界限的两种微波辐射之间的相关性。
“我们的雷达在微波区域之间产生量子纠缠这是一种向被大量微波噪声(如在大气中)隐藏的目标发射的信号，”霍华德解释说。“如果目标确实存在，它将反射少量信号和大量噪声。然后，我们的设备将这部分感兴趣的信号与存储在reso中的场相结合以一种产生更多或更少光子的方式，这取决于目标是否存在。最后，内置的微波光子计数器探测这些光子。”
过去的研究表明，在信号功率和目标噪声相当的情况下，量子相关性可以使雷达探测速度提高四倍。在初步评估中，研究人员开发的微波量子雷达与传统雷达相比，雷达探测速度提高了20%。
“尽管操作条件很简单，但要让这个演示工作非常困难，”霍华德说。“我们研究了一个单一的未知数:目标的存在与否，我们在10 mK的温度下进行了整个实验，远离露天。在量子雷达的直接应用中，我发现最令人生畏的是，该方案需要比微波光子小得多的信号来观察量子优势，我们看到了多少初始信号必须与谐振器纯粹纠缠才能得到任何有用的东西。”
霍华德和他的同事们进行了一系列的测试，在这些测试中，他们测量了雷达在各种参数下的量子优势。这些测试表明，在他们的设备中，探针和闲散器之间的初始纠缠态的纯度可能是一个限制因素，在实际环境中实施他们的雷达时应该考虑到这一点。
“我发现最有趣的事实是，尽管环境如此嘈杂，以至于纠缠无法生存，但我们仍然可以获得量子优势，”霍华德说。“这是一个罕见的例子，可以利用超越经典的相关性来获得优势，而不会留下任何纠缠。”
这组研究人员最近的工作极大地促进了旨在提高量子雷达技术性能的持续努力。在未来，支撑其功能的方法可能会激发类似微波量子雷达的发展，从而实现更大的量子优势。
“我相信还有更多的应用正在等待被发现，这些非经典的，但没有纠缠的相关性发挥作用，”霍华德补充说。“我们现在想更好地了解如何利用量子资源进行微波传感，例如在电子自旋共振或轴子研究的背景下。”
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