מכ"ם קוונטי נמצא במכ"ם... אהממ... כבר זמן מה. למרבה הצער, התוצאות התיאורטיות והמעשיות מהמחקרים שלנו על הרעיון היו מדהימות. אבל לפני שנגיע לאכזבות, הרשו לי לתת לכל חובבי הרדאר שלכם סיבה לתקווה. נייר חדש מדגים שבתנאים של יחסי אות לרעש נמוכים (בקצה הטווח הקלאסי של המכ"ם), שימוש בטכנולוגיות קוונטיות עשוי להציע מאוד שיפור משמעותי ברמת הדיוק.
מכ"ם קוונטי?
מכ"ם, בפשוטו, כרוך בשליחת פולסים של קרינה המשתקפים מעצם. האות המוחזר מזוהה, וזמן הטיסה נמדד. זמן הטיסה מתורגם לאחר מכן לטווח, בעוד הכיוון אליו הופנתה אנטנת המכ"ם כאשר קלטה את ההשתקפות אומר לנו את הכיוון.
הדבר הנורא במכ"ם הוא שהאות יורד מהר מאוד - בתור החזקה הרביעית של המרחק. הסיבה לכך היא שעוצמת הקרינה שאנו שולחים יורדת כריבוע המרחק בין המשדר לעצם. ואז הוא יורד כריבוע הטווח שוב לאחר שהוא משתקף וצריך לחזור למקלט. כלל הריבועים ההפוכים נראים לך פעמיים.
תן לי לעשות את זה בטון עם הערכה גסה מאוד: מכ"ם עם משדר 1 קילוואט ואנטנה עם רווח של 10 יצטרכו להיות מסוגל לזהות כמה nW (10-9 W) של כוח שהתקבל לראות 1 מ'2 חפץ ב-5 ק"מ.
מכ"ם קוונטי עושה שימוש בהסתבכות קוונטית כדי להגביר את רגישות המקלט. כדי לגרום לרדאר קוונטי לעבוד, אנחנו כבר לא שולחים את כל הפוטונים שלנו לחפש אובייקטים. במקום זאת, אנו שולחים רק חצי אחד של זוג סבוך של פוטונים החוצה כדי לשקף אובייקטים; החצי השני נשמר אצל השפופרת. כאשר הפוטון שנשלח חוזר, הוא תואם את בן זוגו בצורה מושלמת יותר מכל פוטון אחר שעשוי להיות מזוהה על ידי המקלט. אנו יכולים לזהות התאמות אלו, הנקראות מתאמים, ברגישות גבוהה.
במונחים של הנדסת מיקרוגל, חשבו שזה טוב יותר מהמסנן צר הפס הטוב ביותר האפשרי. במילים אחרות, מכ"ם קוונטי לא מגביר את הרמה המוחלטת של האות, אבל הוא כן מעלה את הוודאות שלך בהבחנה בין אות לרעש.
תעיר אותי כשיהיה מעניין
על פניו, זה נשמע מרגש. חישובים מוקדמים הראו שהסתבכות צריכה לספק פקטור של שיפור של פי 2-4 בוודאות. נחמד - אבל כנראה לא שווה את הסיבוכים הנוספים של עבודה עם פוטונים סבוכים כשזה מגיע ליישומים מעשיים. גרוע מכך, הניסויים הראשונים עם מכ"ם קוונטי השתמשו כולם בתדרים אופטיים ולא בתדרי מיקרוגל, והם פעלו על פני מרחקים כל כך קצרים שאובדן האות היה זעיר. אפילו ביום הבהיר ביותר, הרעש בתדרים אופטיים נמוך בסדרי גודל מאשר בגלי מיקרו.
אז יישומים מעשיים, שיצטרכו להשתמש בתדרי מיקרוגל, מרמזים על הפסדים עצומים. הנחירות של מהנדסי מכ"ם לא מעוניינים היו מחרישות אוזניים.
כדי להפוך את המכ"ם הקוונטי למעניין שוב, תיאורטיקנים צללו עמוק יותר לתוך התיאוריה והפרקטיקה של המכ"ם. מסתבר שדיוק הטווח (כמה טוב ההערכה הממוצעת שלך לטווח) והטווח הרזולוציה (באיזה ביטחון אתה יכול להפריד בין הטווח של שני אובייקטים) אינן לגמרי הטובות שבהן חברים למיטה. דיוק הטווח קורה ממש גרוע כאשר היחס בין האות המוחזר לרעשי הרקע הוא מתחת לסף מסוים. ובנקודה זו, הסתבכות קוונטית יכולה לכאורה לספק יתרון גדול.
תמתח את הדופק הזה
כדי לשפר את הדיוק, עליך למתוח ולצייץ את הדופק. בעיקרו של דבר, אתה מטאטא את תדר המכ"ם מגבוה לנמוך במהלך הדופק (סוג זה של דופק משמש גם במכ"מים קלאסיים מסוימים). זה מותח כל פוטון בזמן כך שהתדר שלו הופך להיות מוגדר הרבה יותר טוב. זה גם הופך את השותף הסבוך שלו להגדרה טוב יותר, כך שניתן יהיה לזהות אותם במשותף בוודאות רבה יותר.
על פניו, זה מפחית את הדיוק. פוטון בודד עשוי להתגלות בכל עת לאורך כל משך הדופק, שכעת הוא ארוך מאוד. אבל דופק המיקרוגל מורכב ממיליארדי פוטונים לכל תדר, כך שיש המון המון פוטונים בודדים שאפשר לזהות. השונות הסטטיסטית בזמן הזיהוי שלהם מצטמצמת עם מספר הפוטונים, מה שמאפשר לך ליצור זמן טיסה מדויק.
זה באמת מראה את העוצמה שלו כאשר רמות האות לרעש יורדות מתחת לסף הקלאסי לזיהוי מדויק. כאשר האות גדול פי ארבעה מהרעש, המכ"ם הקוונטי מדויק בערך פי 500 מהרדאר הקלאסי (בהנחה של אותו כוח משדר). גם כאשר יחס האות לרעש הוא אחד (בערך מתי הייתי מוותר), המכ"ם הקוונטי נשאר מדויק פי שלושה עד ארבעה מהמכ"ם הקלאסי.
כמה מתוחים הדופקים שלך?
היתרון של המכ"ם הקוונטי תלוי מאוד במידת המתח של הדופק. החוקרים מדגימים זאת על ידי חישוב היתרון הקוונטי של מכ"ם פס W המאתר מזל"ט קטן (חתך מכ"ם של 1 ס"מ2). ב-100 מ', הרחפן מזוהה על ידי דופק של 10 אלפיות השנייה ממכ"ם קוונטי בדיוק פי 60 יותר מאשר במכ"ם קלאסי. אבל חלון השירות מוגבל; כאשר המל"ט נמצא במרחק של ק"מ אחד, אותו יתרון מתקבל רק אם דופק המכ"ם הוא באורך של כשתי דקות, עד אז המל"ט היה ונעלם.
הבעיה הגדולה יותר היא, למרבה הצער, הפרקטיות. כדי לגרום לזה לעבוד, נדרשים מקורות בעלי עוצמה גבוהה של פוטונים מיקרוגל מסובכים בצורה מקסימלית. נכון לעכשיו, מקורות הפוטונים המסובכים הטובים ביותר פועלים בתדרים אופטיים ופולטים איפשהו עד מיליון פוטונים לשנייה, המקביל להספק של כ-fW (10-15 W). יש כמה סדרי גודל בין המקום בו אנו נמצאים כעת לבין המקום בו אנו צריכים להיות.
אבל, לפני שאתה מדוכא מדי, שים לב שמקורות מיקרוגל הם למעשה קלים יותר לבנייה (ויש להם היסטוריה הנדסית ארוכה יותר) מאשר מקורות אופטיים. ולמדענים יש כבר הפגינו מקורות מיקרוגל הסתבכו. אז אולי שם הוא עתיד כאן...
מכתבי סקירה פיזית, 2022, DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.010501 (לגבי DOIs)