“量子纠缠雷达”，听起来像民间科学吗？

事实上，这是物理学家们正在认真研究的黑色技术，它也发表在物理学的顶级期刊《物理评论快报》上。

据介绍，这种雷达的精度可以达到普通雷达的500倍。

等等，量子纠缠和雷达，他们是怎么走到一起的？

简单来说，量子纠缠可以弥补传统雷达信号衰减过快的缺点。

在发射和接收信号的两个过程中，传统雷达的信号强度随着距离的二次幂而衰减。

雷达信号以距离的四次方衰减。

这种衰减程度的概念是什么？让我们看一组数据来了解：

如果信号发射器的功率为1kW，用增益为10的天线探测5公里外1平方米的物体，接收到的反射信号只有几纳瓦。

比如我们通常使用的手机，信号满时辐射功率为0.1W，是上例接收信号强度的1亿倍。

因此，为了节省这种程度的衰减，研究人员开始想办法：只有两个方向，要么增强辐射，要么优化接收。

如果选择前者，太不划算了。根据雷达信号的第四次功率衰减，要想使接收信号强度加倍，需要将辐射强度提高16倍。

因此，研究人员专注于接收过程。

这时，量子纠缠出现了。

量子纠缠如何提高精度：

量子纠缠是量子力学中一种独特的现象，它意味着微观粒子在某些物理性质上是相关的，并且是自然配对的。

吃个栗子。两个盒子里有一副普通的手套。一定有左手和右手。当其中一个确定了，另一个就确定了，不管两个盒子相隔多远。

像这样，两个带有某种暗印记的微观粒子纠缠在一起。

因此，研究人员认为：如果我们产生一些纠缠光子，那么我们只发射其中的一半，当信号被反射回来时，我们可以将它们与剩余的一半进行比较。

无论信号如何衰减，这两个双光子都能轻松配对，可以大大提高雷达精度。

计算结果果然如此。

曲涛庄和杰弗里推导出量子雷达的均方距离延迟精度比传统雷达高几十分贝。

除了理论推理，研究人员还利用无人机实际测试了量子雷达的精度。在100米距离探测无人机的情况下，量子雷达的精度比传统雷达高60倍。

从下图可以直观地看出两者的对比，其中横轴代表信噪比，纵轴代表均方距离延迟精度(越低越好)，红线代表量子雷达的性能：

一般从图中可以看出，量子雷达在所有信噪比区间都优于传统雷达。

当信噪比较高(高达15-20 dB)时，量子雷达(红线)相对于传统雷达(蓝线和绿线)具有较小的精度优势。

在较低信噪比情况下优势更为明显，例如信噪比在5-10分贝之间时，量子雷达的精度大约是传统雷达的500倍。

作者简介：

这项工作的研究者是庄群涛和杰弗里夏皮罗。

庄群涛2013年毕业于北京大学，2018年获得麻省理工学院物理学博士学位。他目前是亚利桑那大学的助理教授。

杰弗里夏皮罗(Jeffrey H. Shapiro)是麻省理工学院电子研究实验室的前主任，也是麻省理工学院光学和量子通信组的主任。