Ученые из Китайского университета науки и технологий (USTC) при Китайской академии наук (CAS) предложили новую концепцию лидара, основанную на квантовой интерференции, и успешно создали прототип этой технологии. Исследования были опубликованы в издании ACS Photonics.
Главная задача лидара заключается в «улучшении дальновидения и четкости, повышении скорости и точности измерений». Лидар на основе однофотонной технологии предлагает значительные преимущества по сравнению с традиционными подходами, позволяя улавливать даже отдельные фотоны.
Группа ученых под руководством профессора Сюэ Сянхуэя предложила концепцию применения интерференции Хонг-У-Мандела (HOM) и квантового стирания высокого порядка для демонстрации квантовой интерференции с независимыми фотонами, поступающими из различных источников света. HOM-интерференция — это явление квантовой оптики, при котором два фотона интерферируют, несмотря на отсутствие сосуществования, демонстрируя корреляционную связь. Квантовое стирание — это процесс, который позволяет устранять или восстанавливать квантовую запутанность между двумя фотонами через манипуляцию дополнительными фотонами.
Основываясь на этой теории, исследователи разработали двухфотонную интерференционную лидарную систему для атмосферных исследований с использованием детектора с преобразованием вверх. Эта система отличается высокой чувствительностью к одиночным фотонам, высокой квантовой эффективностью и широким диапазоном обнаружения, а также способностью работать с несколькими длинами волн.
Полученные результаты показали, что квантовая лидарная система способна регистрировать оптические сигналы с полосой пропускания более 17 ГГц (эквивалентно скорости 13 км/с) и частотой дискретизации в мегагерцах, решая тем самым задачи высокой частоты дискретизации и хранения значительных объемов данных для слабых сигналов в условиях непрерывного обнаружения сверхскоростных целей.
Кроме того, в полевых испытаниях система продемонстрировала возможность детектирования ветра на расстоянии до 16 км с энергией 70 мкДж, увеличив чувствительность обнаружения в 7 раз по сравнению с существующими лидарами, обеспечивая коэффициент корреляции для ветрового поля R² = 0,997.
Дальнобойность в обнаружении ветра подчеркивает потенциал этой технологии для измерения слабых сигналов. Новый лидар способен определять оптические частоты без применения устройств частотной дискриминации, сочетая преимущества как прямого, так и когерентного методов обнаружения. Благодаря интеграции волокон и компактному исполнению, система обещает быть полезной для будущих приложений в непрерывном дистанционном мониторинге очень быстрых движущихся объектов.
«Наше исследование представляет собой важный шаг в области разработки квантовых лидаров, которые способны анализировать параметры ветра и другие атмосферные условия. Мы надеемся, что эта технология найдет широкое применение в таких сферах, как метеорология, навигация и экологический мониторинг», — отметил профессор Сюэ Сянхуэй.
Источник: iXBT
