Neuigkeiten von der University of Science and Technology of China (USTC): Das LIDAR-Team unter der Leitung von Prof. Xianghui Xue hat kürzlich bedeutende Fortschritte bei der Erforschung von Quanten-LIDAR-Systemen erzielt. Das Team hat erstmals die Theorie des Windmess-Lidars auf Grundlage des Upconversion-Quanteninterferenzprinzips vorgestellt und auf Grundlage dieser theoretischen Innovation erfolgreich einen Prototyp entwickelt. Im Vergleich zum herkömmlichen kohärenten Windmessradar erreicht das neue System einen dynamischen Erfassungsbereich von 0-13km/s Geschwindigkeit und eine 7-fache Verbesserung der Erfassungsempfindlichkeit. Dieses Ergebnis wurde am 15. August 2024 in ACS Photonics veröffentlicht.
„Weit sehen, gut sehen, schnell messen und genau messen“ ist das Ziel, das LIDAR verfolgt. Einzelphotonen-LIDAR erreicht im Vergleich zu herkömmlichem LIDAR eine Einzelphotonen-Empfindlichkeitserkennung, was die Leistung erheblich verbessert. Die Theorie des Quantenradars, die Prinzipien der Quantenpräzisionsmessung nutzt, befindet sich jedoch noch in der Entwicklungsphase. Seit der Entdeckung der Zweiphotonen-Interferenz (HOM) im Jahr 1987 ist die HOM-Interferenz zu einem wichtigen Eckpfeiler bei der Unterscheidung von Quantenphänomenen von der klassischen Physik geworden und markiert den Beginn einer neuen Ära der Quantenforschung. Die HOM-Interferenz spielt nicht nur eine grundlegende Rolle bei präzisen Zeitmessungen und der Analyse von Quantenzuständen, sondern ist auch von zentraler Bedeutung für verschiedene Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung. Die Innovation der Theorie und Anwendung der Quantenpräzisionsmessung auf der Grundlage der HOM-Interferenz ist zu einem aktuellen Forschungsschwerpunkt geworden.
Die Gruppe von Xianghui Xue nutzt HOM-Interferenz und Quantenlöschung höherer Ordnung, um unabhängige Photonen aus verschiedenen Lichtquellen Quanteninterferenzphänomene aufweisen zu lassen, und entwickelt auf Grundlage dieser Theorie ein Zweiphotonen-interferometrisches atmosphärisches Lidarsystem auf Basis von Upconversion-Detektoren. Dieser Ansatz bietet Einzelphotonenempfindlichkeit, hohe Quanteneffizienz, große Detektionsbandbreite und Mehrwellenlängen-Anwendbarkeit. Durch die Verwendung von Quantenlöschung in Kombination mit einer optischen Kompressionsabtastmethode kann dieses Quantenradarsystem optische Signale mit einer Abtastrate von MHz über eine Bandbreite von 17 GHz (entspricht 13 km/s) aufzeichnen, was das Problem der hohen Abtastrate und der großen Datenspeicherkapazität schwacher Signale bei der kontinuierlichen Erkennung von Ultrahochgeschwindigkeitszielen löst und den Weg für die Realisierung der Erkennung von Ultrahochgeschwindigkeits-Dauergeschwindigkeiten von bis zu mehreren zehn Kilometern/Sekunde ebnet.
Mehr als 17 GHz Erkennungsbandbreite, Frequenzerkennungsfehler kleiner oder gleich 60 MHz (Wellenlängenmesserfehler 60 MHz)
Im Außenfeldexperiment verwendet das Quanteninterferenzradarsystem 70 μJ Energie, um eine Windfelderkennung in einer horizontalen Entfernung von 16 km zu realisieren, wodurch im Vergleich zum vorhandenen LiDAR-System eine 7--fache Verbesserung der Erkennungsempfindlichkeit mit einer Windfelderkennungskonsistenz von R2=0,997 erreicht wird.
Windfelderkennung in 16 km Entfernung mit 70 μJ Energie
Der Kern dieser Technologie besteht darin, das Phänomen der Zwei-Photonen-Interferenz auszunutzen und das Signal-Rausch-Verhältnis durch Unterdrückung des Rauschens mittels Quantenlöschung zu verbessern. Zwei-Photonen-Interferenz ist ein quantenoptisches Phänomen, bei dem zwei Photonen miteinander interferieren und Korrelationen beobachtet werden, auch wenn sie nicht gleichzeitig vorhanden sind. Quantenlöschung hingegen ist ein quantenmechanischer Prozess, mit dem der Zustand der Quantenverschränkung zwischen zwei Photonen durch Manipulation zusätzlicher Photonen beseitigt oder wiederhergestellt werden kann.
Telemetrie hat gezeigt, dass die Technik großes Potenzial für die Messung schwacher Signale hat. Optische Frequenzen können ohne den Einsatz eines Frequenzunterscheidungsgeräts erkannt werden, eine neuartige Erkennungsmethode, die die Vorteile der direkten und kohärenten Erkennung kombiniert. Das Radarsystem wurde faseroptisch integriert und kompaktiert und bietet potenzielle zukünftige Anwendungen für kontinuierliche Fernerkundungsmessungen von sich mit ultrahoher Geschwindigkeit bewegenden harten und weichen Zielen.
