Notizie dall'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC), di recente, il team LIDAR guidato dal Prof. Xianghui Xue ha fatto progressi significativi nella ricerca sui sistemi LIDAR quantistici. Il team ha presentato per la prima volta la teoria del lidar di misurazione del vento basato sul principio di interferenza quantistica di upconversion e, sulla base di questa innovazione teorica, ha sviluppato con successo un prototipo. Rispetto al tradizionale radar di misurazione del vento coerente, il nuovo sistema realizza un intervallo di rilevamento dinamico di 0-13 km/s di velocità e un miglioramento di 7- volte nella sensibilità di rilevamento. Questo risultato è stato pubblicato il 15 agosto 2024 su ACS Photonics.
"Vedere lontano, vedere bene, misurare velocemente e misurare con precisione" è l'obiettivo perseguito dal LIDAR. Il LIDAR a singolo fotone raggiunge la rilevazione della sensibilità a singolo fotone rispetto al LIDAR convenzionale, il che ha notevolmente migliorato le prestazioni. Tuttavia, la teoria del radar quantistico che utilizza più principi di misurazione di precisione quantistica è ancora in fase di sviluppo. Dalla scoperta dell'interferenza a due fotoni (HOM) nel 1987, l'interferenza HOM è diventata una pietra angolare fondamentale per distinguere i fenomeni quantistici dalla fisica classica, segnando l'alba di una nuova era di esplorazione quantistica. L'interferenza HOM non solo svolge un ruolo fondamentale nelle misurazioni precise del tempo e nell'analisi dello stato quantistico, ma è anche centrale per varie applicazioni nell'elaborazione delle informazioni quantistiche. L'innovazione della teoria della misurazione di precisione quantistica e l'applicazione basata sull'interferenza HOM sono diventate un attuale punto caldo della ricerca.
Il gruppo di Xianghui Xue utilizza l'interferenza HOM e la cancellazione quantistica di ordine superiore per far sì che fotoni indipendenti da diverse sorgenti luminose presentino fenomeni di interferenza quantistica e sviluppa un sistema lidar atmosferico interferometrico a due fotoni basato su rilevatori di upconversion basati su questa teoria. Questo approccio offre sensibilità a singolo fotone, elevata efficienza quantistica, ampia larghezza di banda di rilevamento e applicabilità multi-lunghezza d'onda. Utilizzando la cancellazione quantistica combinata con un metodo di campionamento ottico compressivo, questo sistema radar quantistico è in grado di registrare segnali ottici con una frequenza di campionamento di MHz su una larghezza di banda di 17 GHz (corrispondente a 13 km/s), il che risolve il problema dell'elevata frequenza di campionamento e dell'ampia capacità di archiviazione dati di segnali deboli nel rilevamento continuo di bersagli ad altissima velocità e apre la strada alla realizzazione del rilevamento di velocità continue ad altissima velocità fino a decine di chilometri/secondo.
Larghezza di banda di rilevamento superiore a 17 GHz, errore di rilevamento della frequenza inferiore o uguale a 60 MHz (errore del misuratore di lunghezza d'onda 60 MHz)
Nell'esperimento outfield, il sistema radar a interferenza quantistica utilizza un'energia di 70 μJ per realizzare il rilevamento del campo del vento a una distanza orizzontale di 16 km, ottenendo un miglioramento di 7- volte nella sensibilità di rilevamento con una coerenza di rilevamento del campo del vento di R2=0,997 rispetto al sistema LiDAR esistente.
Rilevamento del campo del vento a 16 km di distanza utilizzando energia di 70 μJ
Il fulcro di questa tecnologia è utilizzare il fenomeno dell'interferenza a due fotoni e migliorare il rapporto segnale/rumore sopprimendo il rumore tramite cancellazione quantistica. L'interferenza a due fotoni è un fenomeno ottico quantistico in cui due fotoni interferiscono tra loro e si osservano correlazioni anche quando non sono presenti contemporaneamente. La cancellazione quantistica, d'altro canto, è un processo di meccanica quantistica che può essere utilizzato per eliminare o ripristinare lo stato di entanglement quantistico tra due fotoni manipolando fotoni aggiuntivi.
La telemetria ha dimostrato che la tecnica ha un grande potenziale per le misurazioni di segnali deboli. Le frequenze ottiche possono essere rilevate senza l'uso di un dispositivo di discriminazione di frequenza, un nuovo metodo di rilevamento che combina i vantaggi del rilevamento diretto e coerente. Il sistema radar è stato integrato e compattato in fibra ottica, con potenziali applicazioni future per misurazioni di telerilevamento continuo di bersagli duri e morbidi in movimento ad altissima velocità.
