Los fotones de microondas entrelazados podrían multiplicar por 500 los radares

El radar cuántico lleva un tiempo en el.. ejem.. radar. Desgraciadamente, los resultados teóricos y prácticos de nuestras exploraciones del concepto han sido decepcionantes. Pero antes de llegar a las decepciones, permítanme dar a todos los entusiastas del radar un motivo de esperanza. Un nuevo artículo demuestra que, en condiciones de baja relación señal/ruido (en el límite del alcance clásico del radar), el empleo de tecnologías cuánticas puede ofrecer un aumento muy significativo de la precisión.

¿Radar cuántico?

El radar, en su forma más simple, consiste en enviar pulsos de radiación que se reflejan en un objeto. La señal reflejada se detecta y se mide el tiempo de vuelo. El tiempo de vuelo se traduce entonces en un alcance, mientras que la dirección a la que apuntaba la antena del radar cuando captó el reflejo nos indica la dirección.

Lo horrible del radar es que la señal disminuye muy rápidamente, según la cuarta potencia de la distancia. Esto se debe a que la potencia de la radiación que enviamos cae como el cuadrado de la distancia entre el transmisor y el objeto. Y luego vuelve a caer como el cuadrado de la distancia cuando se refleja y tiene que volver al receptor. La regla del cuadrado inverso se aplica dos veces.

Permítanme concretar esto con una estimación muy aproximada: un radar con un transmisor de 1 kW y una antena con una ganancia de 10 tendrá que ser capaz de detectar unos pocos nW (10-9 W) de potencia recibida para ver un objeto de 1 m2 a 5 km.

Un radar cuántico utiliza el entrelazamiento cuántico para aumentar la sensibilidad del receptor. Para que el radar cuántico funcione, ya no enviamos todos nuestros fotones para buscar objetos. En su lugar, sólo enviamos una mitad de un par de fotones entrelazados para que se reflejen en los objetos; la otra mitad se queda en el receptor. Cuando el fotón enviado regresa, coincide con su compañero de forma más perfecta que cualquier otro fotón que pudiera detectar el receptor. Podemos detectar estas coincidencias, llamadas correlaciones, con gran sensibilidad.

En términos de ingeniería de microondas, piense que es mejor que el mejor filtro de banda estrecha posible. En otras palabras, un radar cuántico no aumenta el nivel absoluto de la señal, pero sí aumenta su seguridad para distinguir la señal del ruido.

Despiértame cuando se ponga interesante

A primera vista, esto parece emocionante. Los primeros cálculos mostraron que el entrelazamiento debería proporcionar un factor de 2 a 4 veces de mejora en la certeza. Es bonito, pero probablemente no merezca la pena las complicaciones adicionales de trabajar con fotones entrelazados cuando se trata de aplicaciones prácticas. Peor aún, los primeros experimentos con radares cuánticos utilizaron frecuencias ópticas en lugar de frecuencias de microondas, y operaron a distancias tan cortas que la pérdida de señal era mínima. Incluso en los días más luminosos, el ruido en las frecuencias ópticas es de órdenes de magnitud inferior al de las microondas.

Así que las aplicaciones prácticas, que necesitarían utilizar frecuencias de microondas, implican enormes pérdidas. Los ronquidos de los desinteresados ingenieros de radar eran ensordecedores.

Para que el radar cuántico volviera a ser interesante, los teóricos profundizaron en la teoría y la práctica del radar. Resulta que la precisión del alcance (la calidad de la estimación media del alcance) y la resolución del alcance (la confianza con la que se puede separar el alcance de dos objetos) no son del todo buenas parejas. La precisión del alcance se vuelve realmente mala cuando la relación entre la señal devuelta y el ruido de fondo está por debajo de un determinado umbral. Y es en este punto en el que el entrelazamiento cuántico puede proporcionar aparentemente una gran ventaja.

Estira ese pulso

Para mejorar la precisión, debes estirar y chirriar el pulso. Esencialmente, se barre la frecuencia del radar de alta a baja durante el pulso (este tipo de pulso también se utiliza en ciertos radares clásicos). Esto estira cada fotón en el tiempo para que su frecuencia esté mucho mejor definida. Esto también hace que su pareja enredada esté mejor definida para que puedan ser detectados conjuntamente con mayor certeza.

A primera vista, esto reduce la precisión. Un fotón individual puede ser detectado en cualquier momento a lo largo de toda la duración del pulso, que ahora es muy largo. Pero el pulso de microondas consta de miles de millones de fotones por frecuencia, por lo que hay muchísimos fotones individuales que se pueden detectar. La variación estadística de su tiempo de detección se reduce con el número de fotones, lo que permite generar un tiempo de vuelo preciso.

Esto realmente muestra su poder cuando los niveles de señal a ruido caen por debajo del umbral clásico para una detección precisa. Cuando la señal es cuatro veces mayor que el ruido, el radar cuántico es unas 500 veces más preciso que el clásico (suponiendo la misma potencia del transmisor). Incluso cuando la relación señal-ruido es uno (más o menos cuando yo me rendiría), el radar cuántico sigue siendo de tres a cuatro veces más preciso que el clásico.

¿Cómo se estiran sus pulsos?

La ventaja del radar cuántico depende realmente de cuánto se estire el pulso. Los investigadores lo demuestran calculando la ventaja cuántica de un radar de banda W que localiza un pequeño dron (una sección transversal de radar de 1 cm2). A 100 m, el dron es detectado por un pulso de 10 ms de un radar cuántico con una precisión unas 60 veces mayor que con un radar clásico. Pero la ventana de utilidad es limitada; cuando el dron está a un kilómetro de distancia, sólo se obtiene la misma ventaja si el pulso del radar dura unos dos minutos, momento en el que el dron ya se ha ido.

El mayor problema es, por desgracia, la practicidad. Para que esto funcione, se necesitan fuentes de alta potencia de fotones de microondas máximamente entrelazados. En la actualidad, las mejores fuentes de fotones entrelazados operan a frecuencias ópticas y emiten hasta un millón de fotones por segundo, lo que corresponde a una potencia de aproximadamente un fW (10-15 W). Hay unos cuantos órdenes de magnitud entre donde estamos ahora y donde tenemos que estar.

Pero, antes de que te deprimas demasiado, ten en cuenta que las fuentes de microondas son en realidad más fáciles de construir (y tienen una historia de ingeniería más larga) que las fuentes ópticas. Y los científicos ya han demostrado fuentes de microondas entrelazadas. Así que quizás haya un futuro aquí..

Physical Review Letters, 2022, DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.010501

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