ข่าวจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) เมื่อไม่นานนี้ ทีม LIDAR ซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ Xianghui Xue ได้ประสบความสำเร็จอย่างมากในการวิจัยระบบ LIDAR แบบควอนตัม ทีมได้เสนอทฤษฎีการวัดลมด้วย LIDAR ที่ใช้หลักการรบกวนควอนตัมแบบอัปคอนเวอร์ชันเป็นครั้งแรก และพัฒนาต้นแบบได้สำเร็จโดยอาศัยนวัตกรรมเชิงทฤษฎีนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับเรดาร์วัดลมแบบสอดคล้องกันแบบดั้งเดิม ระบบใหม่นี้ให้ความเร็วช่วงการตรวจจับแบบไดนามิกที่ 0-13 กม./วินาที และปรับปรุงความไวในการตรวจจับได้ 7- เท่า ผลลัพธ์นี้ได้รับการเผยแพร่ใน ACS Photonics เมื่อวันที่ 15 สิงหาคม 2024
"การมองไกล การมองละเอียด วัดอย่างรวดเร็ว และวัดได้อย่างแม่นยำ" คือเป้าหมายที่ LIDAR มุ่งหวัง LIDAR โฟตอนเดียวสามารถตรวจจับความไวของโฟตอนเดียวได้เมื่อเปรียบเทียบกับ LIDAR ทั่วไป ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีเรดาร์ควอนตัมที่ใช้หลักการวัดความแม่นยำแบบควอนตัมมากขึ้นยังคงอยู่ในระยะพัฒนา ตั้งแต่การค้นพบการรบกวนของโฟตอนสองตัว (HOM) ในปี 1987 การรบกวนของ HOM ได้กลายเป็นเสาหลักสำคัญในการแยกความแตกต่างระหว่างปรากฏการณ์ควอนตัมกับฟิสิกส์คลาสสิก ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคใหม่ของการสำรวจควอนตัม การรบกวนของ HOM ไม่เพียงแต่มีบทบาทพื้นฐานในการวัดเวลาที่แม่นยำและการวิเคราะห์สถานะควอนตัมเท่านั้น แต่ยังเป็นศูนย์กลางของแอปพลิเคชันต่างๆ ในการประมวลผลข้อมูลควอนตัมอีกด้วย นวัตกรรมของทฤษฎีการวัดความแม่นยำแบบควอนตัมและแอปพลิเคชันที่อาศัยการรบกวนของ HOM ได้กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยในปัจจุบัน
กลุ่มของ Xianghui Xue ใช้การรบกวน HOM และการลบควอนตัมลำดับสูงเพื่อให้โฟตอนอิสระจากแหล่งกำเนิดแสงที่แตกต่างกันแสดงปรากฏการณ์การรบกวนควอนตัม และพัฒนาระบบลิดาร์บรรยากาศแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกโฟตอนสองตัวโดยอาศัยเครื่องตรวจจับการแปลงขึ้นตามทฤษฎีนี้ แนวทางนี้ให้ความไวต่อโฟตอนเดียว ประสิทธิภาพควอนตัมสูง แบนด์วิดท์การตรวจจับขนาดใหญ่ และความสามารถในการใช้งานความยาวคลื่นหลายแบบ การใช้การลบควอนตัมร่วมกับวิธีการสุ่มตัวอย่างแบบบีบอัดด้วยแสง ทำให้ระบบเรดาร์ควอนตัมนี้สามารถบันทึกสัญญาณแสงด้วยอัตราการสุ่มตัวอย่าง MHz บนแบนด์วิดท์ 17 GHz (เทียบเท่ากับ 13 กม./วินาที) ซึ่งช่วยแก้ปัญหาอัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงและความจุในการจัดเก็บข้อมูลขนาดใหญ่ของสัญญาณอ่อนในการตรวจจับเป้าหมายความเร็วสูงพิเศษอย่างต่อเนื่อง และปูทางไปสู่การตรวจจับความเร็วต่อเนื่องความเร็วสูงพิเศษได้สำเร็จถึงสิบกิโลเมตร/วินาที
แบนด์วิดท์การตรวจจับมากกว่า 17GHz ข้อผิดพลาดในการตรวจจับความถี่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 60MHz (ข้อผิดพลาดของมิเตอร์ความยาวคลื่น 60MHz)
ในการทดลองนอกสถานที่ ระบบเรดาร์ควอนตัมอินเตอร์เฟอเรนซ์จะใช้พลังงาน 70μJ เพื่อรับรู้การตรวจจับสนามลมที่ระยะทางแนวนอน 16 กม. ซึ่งทำการปรับปรุงความไวในการตรวจจับได้ 7- เท่าโดยมีความสม่ำเสมอในการตรวจจับสนามลมที่ R2=0.997 เมื่อเปรียบเทียบกับระบบ LiDAR ที่มีอยู่
การตรวจจับสนามลมที่ระยะทาง 16 กม. โดยใช้พลังงาน 70μJ
หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีนี้คือการใช้ปรากฏการณ์การรบกวนของโฟตอนสองตัวและปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนโดยการลดสัญญาณรบกวนผ่านการลบควอนตัม การรบกวนของโฟตอนสองตัวเป็นปรากฏการณ์ออปติกควอนตัมซึ่งโฟตอนสองตัวรบกวนกันและมีการสังเกตความสัมพันธ์แม้ว่าจะไม่ปรากฏในเวลาเดียวกัน ในทางกลับกัน การลบควอนตัมเป็นกระบวนการทางกลควอนตัมที่สามารถใช้เพื่อขจัดหรือฟื้นฟูสถานะของการพันกันของควอนตัมระหว่างโฟตอนสองตัวโดยการจัดการโฟตอนเพิ่มเติม
การวัดระยะไกลได้แสดงให้เห็นว่าเทคนิคดังกล่าวมีศักยภาพอย่างมากในการวัดสัญญาณอ่อน สามารถตรวจจับความถี่ออปติคอลได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องแยกความถี่ ซึ่งเป็นวิธีการตรวจจับแบบใหม่ที่ผสมผสานข้อดีของการตรวจจับโดยตรงและแบบสอดคล้องกัน ระบบเรดาร์ได้รับการบูรณาการและบีบอัดด้วยไฟเบอร์ออปติก ซึ่งอาจนำไปใช้งานในอนาคตสำหรับการวัดระยะไกลอย่างต่อเนื่องของเป้าหมายแข็งและอ่อนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงพิเศษ
