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Illustration eines Quantenradar-Prototyps © IST Austria/Philip Krantz
Illustration eines Quantenradar-Prototyps © IST Austria/Philip Krantz

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IST Austria-Forscher entwickeln Prototyp für Quantenradar

08.05.2020

Den Prototyp für das erste Quantenradar haben Physiker des Institute of Science and Technology (IST) Austria entwickelt. Zur Erkennung von Objekten nutzt das System das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung, berichten sie im Fachjournal "Science Advances". Die "Mikrowellen-Quantenillumination" schafft es, Objekte in Umgebungen zu erkennen, in denen klassische Radarsysteme oft versagen.

Seit seiner Entwicklung Anfang des 20. Jahrhunderts ist das Prinzip des Radars unverändert: Ein Radargerät sendet elektromagnetische Wellen aus. Dieses Primärsignal wird von Objekten reflektiert. Das Echo wird dann als Sekundärsignal empfangen und nach verschiedenen Kriterien ausgewertet, um Informationen über die Objekte zu erhalten, meistens ihre Position.

Bei sehr kleinen Signalleistungen haben klassische Radarsysteme allerdings eine geringe Empfindlichkeit. Sie können die vom Objekt reflektierte Strahlung von natürlich auftretendem Hintergrundstrahlungsrauschen nur schwer unterscheiden. Das Problem ist, dass warme bzw. heiße Objekte selbst elektromagnetische Wellen (Mikrowellen) ausstrahlen, das gilt auch für die Erdatmosphäre. Damit das Echo des Primärsignals nicht in diesem Hintergrundrauschen untergeht, verwenden Radarsysteme üblicherweise leistungsstarke Sender.

Objekte auch in verrauschten Umgebungen erkennen

Die von der Forschungsgruppe um Johannes Fink vom IST Austria in Klosterneuburg (NÖ) mit US- und italienischen Kollegen entwickelte neue Detektionstechnologie namens "Mikrowellen-Quantenillumination" schafft es dagegen, Objekte auch in verrauschten thermischen Umgebungen zu erkennen. Dazu wird die sogenannte Quantenverschränkung genutzt.

Das quantenphysikalische Phänomen besagt, dass zwei verschränkte Teilchen - etwa Photonen - wie durch Geisterhand miteinander verbunden bleiben und physikalische Eigenschaften teilen. Die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest, auch wenn sie beliebig weit voneinander entfernt sind.

Signal-Photonen mit Faulenzern verschränken

In ihrem System verschränken die Forscher zwei Gruppen von Photonen. Die einen, "Signal"-Photonen genannt, werden in Richtung des zu detektierenden Objekts ausgesandt, während die anderen, "Idler" (Faulenzer) genannten Photonen relativ isoliert und frei von Störungen im System verbleiben. "Die Verschränkung geht durch das ganze Rauschen, dem das Signal ausgesetzt ist, verloren", erklärte Fink gegenüber der APA.

Dennoch besteht eine starke Korrelationen zwischen "Signal"- und "Idler"-Photonen. Diese Korrelation kann man am ehesten mit Ähnlichkeit veranschaulichen - und die macht die Unterscheidung vom Umgebungsrauschen viel leichter. Rekombiniert man dann die von einem Objekt reflektierten "Signal"-Photonen mit den "Idler"-Photonen entsteht ein Muster, das die Existenz oder Abwesenheit des Zielobjekts beschreibt - unabhängig vom Rauschen in der Umgebung.

Erstautor und zum Zeitpunkt der nun veröffentlichten Arbeit Postdoc in der Fink-Gruppe Shabir Barzanjeh, der mittlerweile an der University of Calgary (Kanada) tätig ist, betont, dass mit dem Prototypen der praktische Nachweis eines theoretischen Konzepts gelungen sei. Die Wissenschafter gehen davon aus, dass die neue Technologie potenziell in biomedizinischen Niedrigenergie-Bildgebungsverfahren und Sicherheitsscannern zur Anwendung kommen könnte.

Service: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abb0451

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