중국과학기술대학(USTC)의 소식에 따르면, 최근 Xianghui Xue 교수가 이끄는 LIDAR 팀은 양자 LIDAR 시스템 연구에서 상당한 진전을 이루었습니다. 이 팀은 처음으로 상향 변환 양자 간섭 원리를 기반으로 한 풍속 측정 라이더 이론을 제시했고, 이 이론적 혁신을 바탕으로 프로토타입을 성공적으로 개발했습니다. 기존의 코히어런트 풍속 측정 레이더와 비교했을 때, 새로운 시스템은 0-13km/s 속도의 동적 감지 범위와 7-배 향상된 감지 감도를 실현했습니다. 이 결과는 2024년 8월 15일 ACS Photonics에 게재되었습니다.
"멀리 보고, 정밀하게 보고, 빠르게 측정하고, 정확하게 측정하는 것"이 LIDAR가 추구하는 목표입니다. 단일 광자 LIDAR는 기존 LIDAR에 비해 단일 광자 감도 감지를 달성하여 성능이 크게 향상되었습니다. 그러나 더 많은 양자 정밀 측정 원리를 활용하는 양자 레이더 이론은 아직 개발 단계에 있습니다. 1987년 2광자(HOM) 간섭이 발견된 이래로 HOM 간섭은 양자 현상을 고전 물리학과 구별하는 데 중요한 초석이 되었으며, 양자 탐색의 새로운 시대를 열었습니다. HOM 간섭은 정확한 시간 측정 및 양자 상태 분석에서 기본적인 역할을 할 뿐만 아니라 양자 정보 처리의 다양한 응용 분야에서도 핵심입니다. HOM 간섭을 기반으로 한 양자 정밀 측정 이론과 응용 프로그램의 혁신은 현재 연구 핫스팟이 되었습니다.
Xianghui Xue의 그룹은 HOM 간섭과 고차 양자 소거를 사용하여 서로 다른 광원의 독립적인 광자가 양자 간섭 현상을 나타내도록 하고, 이 이론을 기반으로 하는 상향 변환 검출기를 기반으로 하는 2광자 간섭 대기 라이더 시스템을 개발합니다. 이 접근 방식은 단일 광자 감도, 높은 양자 효율, 큰 검출 대역폭 및 다중 파장 적용성을 제공합니다. 양자 소거를 광학 압축 샘플링 방법과 결합하여 사용하는 이 양자 레이더 시스템은 17GHz(13km/s에 해당) 대역폭에서 MHz 샘플링 속도로 광 신호를 기록할 수 있어 초고속 대상의 연속 감지에서 약한 신호의 높은 샘플링 속도와 대용량 데이터 저장 용량 문제를 해결하고 최대 수십 km/초의 초고속 연속 속도 감지를 실현하는 길을 열었습니다.
검출대역폭 17GHz 이상, 주파수 검출오차 60MHz 이하 (파장계 오차 60MHz)
야외 실험에서 양자 간섭 레이더 시스템은 70μJ 에너지를 사용하여 수평 거리 16km에서 풍속장 감지를 실현하였으며, 이를 통해 기존 LiDAR 시스템에 비해 풍속장 감지 일관성이 R2=0.997로 감지 감도가 7-배 향상되었습니다.
70μJ 에너지를 사용하여 16km 거리에서 풍속장 감지
이 기술의 핵심은 2광자 간섭 현상을 활용하고 양자 소거를 통해 잡음을 억제하여 신호 대 잡음비를 개선하는 것입니다. 2광자 간섭은 두 광자가 서로 간섭하고 동시에 존재하지 않더라도 상관관계가 관찰되는 양자 광학 현상입니다. 반면, 양자 소거는 추가 광자를 조작하여 두 광자 사이의 양자 얽힘 상태를 제거하거나 복원하는 데 사용할 수 있는 양자 역학적 프로세스입니다.
원격 측정은 이 기술이 약한 신호 측정에 큰 잠재력이 있음을 보여주었습니다. 광 주파수는 주파수 판별 장치를 사용하지 않고도 감지할 수 있는데, 이는 직접 감지와 코히어런트 감지의 장점을 결합한 새로운 감지 방법입니다. 레이더 시스템은 광섬유로 통합되고 압축되었으며, 초고속으로 움직이는 하드 및 소프트 타겟의 연속 원격 감지 측정에 대한 잠재적인 미래 응용 분야가 있습니다.
