Nyheter från University of Science and Technology of China (USTC), nyligen, har LIDAR-teamet under ledning av prof. Xianghui Xue gjort betydande framsteg i forskningen om kvant-LIDAR-system. Teamet lade för första gången fram teorin om vindmätning lidar baserad på uppkonverteringskvantinterferensprincipen, och baserat på denna teoretiska innovation utvecklade framgångsrikt en prototyp. Jämfört med den traditionella koherenta vindmätningsradarn realiserar det nya systemet ett dynamiskt detekteringsområde på 0-13km/s hastighet och en 7-faldig förbättring av detektionskänsligheten. Detta resultat publicerades den 15 augusti 2024 i ACS Photonics.
"Se långt, se bra, mäta snabbt och mäta exakt" är målet som LIDAR eftersträvar. Single-photon LIDAR uppnår single-photon sensitivitetsdetektion jämfört med konventionell LIDAR, vilket har förbättrat prestandan avsevärt. Teorin om kvantradar som använder mer kvantprecisionsmätprinciper är dock fortfarande i utvecklingsstadiet. Sedan upptäckten av tvåfotoninterferens (HOM) 1987 har HOM-interferens blivit en viktig hörnsten för att skilja kvantfenomen från klassisk fysik, vilket markerar gryningen av en ny era av kvantutforskning.HOM-interferens spelar inte bara en grundläggande roll i exakt tidsmätningar och kvanttillståndsanalys, men är också central för olika tillämpningar inom kvantinformationsbehandling. Innovationen av kvantprecisionsmätningsteori och tillämpning baserad på HOM-interferens har blivit en aktuell forskningshotspot.
Xianghui Xues grupp använder HOM-interferens och kvantradering av högre ordning för att få oberoende fotoner från olika ljuskällor att uppvisa kvantinterferensfenomen, och utvecklar ett tvåfotoninterferometriskt atmosfäriskt lidarsystem baserat på uppkonverteringsdetektorer baserade på denna teori. Detta tillvägagångssätt erbjuder singelfotonkänslighet, hög kvanteffektivitet, stor detekteringsbandbredd och tillämpbarhet med flera våglängder. Genom att använda kvantradar i kombination med en optisk kompressiv samplingsmetod kan detta kvantradarsystem spela in optiska signaler med en samplingshastighet på MHz över en bandbredd på 17 GHz (motsvarande 13 km/s), vilket löser problemet med hög samplingshastighet och stor datalagringskapacitet för svaga signaler vid kontinuerlig detektering av ultrahöghastighetsmål, och banar väg för att realisera detektering av ultrahöghastighets kontinuerliga hastigheter upp till tiotals kilometer/sekund.
Mer än 17GHz detekteringsbandbredd, frekvensdetekteringsfel Mindre än eller lika med 60MHz (våglängdsmätarfel 60MHz)
I utmarksexperimentet använder kvantinterferensradarsystemet 70 μJ energi för att realisera vindfältsdetektering på ett horisontellt avstånd av 16 km, vilket uppnår en 7-faldig förbättring av detektionskänsligheten med en vindfältsdetekteringskonsistens på R{{3} }.997 jämfört med det befintliga LiDAR-systemet.
Vindfältsdetektering på 16 km avstånd med 70μJ energi
Kärnan i denna teknik är att utnyttja tvåfotoninterferensfenomenet och förbättra signal-brusförhållandet genom att undertrycka brus genom kvantradering. Tvåfotoninterferens är ett kvantoptiskt fenomen där två fotoner interfererar med varandra och korrelationer observeras även när de inte är närvarande samtidigt. Kvantradering, å andra sidan, är en kvantmekanisk process som kan användas för att eliminera eller återställa tillståndet för kvantintrassling mellan två fotoner genom att manipulera ytterligare fotoner.
Telemetri har visat att tekniken har stor potential för mätningar av svaga signaler. Optiska frekvenser kan detekteras utan användning av en frekvensdiskrimineringsanordning, en ny detekteringsmetod som kombinerar fördelarna med direkt och koherent detektering. Radarsystemet har fiberoptiskt integrerats och komprimerats, med potentiella framtida tillämpningar för kontinuerliga fjärranalysmätningar av ultrahöghastighets rörliga hårda och mjuka mål.
