Forscher entwickeln Quantenradar

Geschärfter Blick: Verschränkte Photonen könnten Radarmessungen künftig stark verbessern. Denn die gekoppelten Signale ermöglichen es, selbst schwach reflektierende Objekte in verrauschter Umgebung sichtbar zu machen – und das mit nur minimaler Radarleistung. Forscher haben einen ersten Prototyp dieser sogenannten Quantenillumination entwickelt und erfolgreich getestet. Anwendungen sehen sie in Sicherheitsscannern, aber auch in der biomedizinischen Bildgebung.

Ob bei der Überwachung des Luftraums, der Durchleuchtung von Eis und Boden oder der Ortung von Stürmen: Radartechnik kann mithilfe reflektierter Mikrowellen auch nicht sichtbare Objekte und Strukturen sichtbar machen. Allerdings gibt es Bereiche, in denen diese Form der Mikrowellen-Ortung bislang zu ungenau ist und versagt. Das ist meist dann der Fall, wenn ein Radar bei sehr kleinen Signalleistungen arbeitet – beispielsweise bei Sicherheitsscannern oder auch der biomedizinischen Bildgebung. Dann haben diese Systeme Schwierigkeiten, die schwache vom Objekt reflektierte Strahlung vom Hintergrundstrahlungsrauschen zu unterscheiden.

Verschränkte Photonen als Signalgeber

Abhilfe könnte jedoch eine neue Form des quantengestützten Radars schaffen, wie nun Shabir Barzanjeh vom Institute of Science and Technology Austria (IST) und seine Kollegen demonstrieren. Sie haben eine neuartige Detektionstechnologie entwickelt, bei der verschränkte Mikrowellen-Photonen die „Sehschärfe“ des Radars auch in verrauschten Umgebungen stark erhöhen.

„Bei der Quantenillumination ist es das Ziel, ein gering reflektierendes Objekt trotz starkem thermischen Rauschen zu erkennen“, erklären die Forscher. „Das wird erreicht, indem man das Ziel mit einem verschränkten Photon in unmerklicher, nichtinvasiver Weise abtastet.“

Konkret erzeugt dieses Radar zunächst Paare verschränkter Photonen. Jeweils ein Photon dieser Paare wird als Signal in Richtung des zu detektierenden Objekts gesendet, das Partnerphoton – der sogenannte „Idler“ – bleibt als Kontrolle im Instrument. Wenn nun das Signalphoton vom Objekt reflektiert und vom Radar wieder eingefangen wird, ist zwar ihre Verschränkung verloren gegangen. Trotzdem bleiben einige Korrelationen erhalten, die es leichter machen, die reflektierten Photonen vom Hintergrundrauchen zu unterschieden.

Prototyp funktioniert

Für einen ersten Test haben die Forscher einen Prototyp eines solchen Quantenradars konstruiert. Dabei dient ein extrem heruntergekühlter Supraleiter-Schaltkreis als Quelle der verschränkten Mikrowellen-Photonen. Das Quantenradar lenkt dann die Signal-Photonen auf ein Ziel in Form einer kleinen Kupferplatte, wo die Photonen bei Raumtemperatur reflektiert und von einem digitalen Empfänger wieder aufgefangen werden.

„Signal und Idler werden dann durch zwei verschiedene Messleitungen geschickt, wo sie verstärkt, gefiltert und auf eine Zwischenfrequenz von 20 Megahertz heruntertransformiert werden“, berichten Barzanjeh und seine Kollegen. Die Tests ergaben: „Mithilfe von Quantenverschränkung, die bei einigen Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt erzeugt wurde, konnten wir Objekte mit sehr geringer Reflektivität bei Raumtemperatur detektieren“, so die Forscher.

„Proof of Concept“

Noch ist dieses Quantenradar nur ein „Proof of Concept“ – der praktische Nachweis, dass diese Technologie grundsätzlich funktionieren kann. Dennoch sehen die Forscher in der Quantenillumination eine Detektionsmethode, die trotz des höheren Aufwands für die Verschränkung der Photonen einige grundlegende Vorteile bei bestimmten Anwendungen hat. So könnte die neue Technik beispielsweise bei biomedizinischen Niedrigenergie-Bildgebungsverfahren und Sicherheitsscannern eingesetzt werden.

„Im Vergleich zu klassischen kohärenten Detektoren sehen wir unter denselben Bedingungen und bei sehr geringer Signalstärke, dass die quantenverstärkte Detektion überlegen sein kann“, sagt Barzanjeh. „Die zentrale Aussage unserer Forschung ist, dass Quantenradare und Mikrowellen Quantenillumination nicht nur in der Theorie existieren, sondern auch in der Praxis möglich sind.“ Der nächste Schritt wird es nun sein, solche Quantenradar anwendungsreif zu machen. (Science Advances, 2020; doi: 10.1126/sciadv.abb0451)

Quelle: Institute of Science and Technology Austria