中国科学技術大学（USTC）からのニュースです。最近、Xue Xianghui教授が率いるLIDARチームが量子LIDARシステムの研究で大きな進歩を遂げました。チームは初めてアップコンバージョン量子干渉原理に基づく風計測LIDARの理論を提唱し、この理論的革新に基づいてプロトタイプの開発に成功しました。従来のコヒーレント風計測レーダーと比較して、新しいシステムは0-13km/sの速度の動的検出範囲と7-倍の検出感度の向上を実現しています。この結果は、2024年8月15日にACS Photonicsに掲載されました。
「遠くを見る、細かく見る、速く測定する、正確に測定する」というのがLIDARが追求する目標です。単一光子LIDARは、従来のLIDARと比較して単一光子感度検出を実現し、性能が大幅に向上しました。しかし、より量子的な精密測定原理を利用する量子レーダーの理論はまだ開発段階にあります。1987年の2光子（HOM）干渉の発見以来、HOM干渉は量子現象を古典物理学と区別する重要な基礎となり、量子探査の新時代の幕開けとなりました。HOM干渉は、正確な時間測定と量子状態分析において基本的な役割を果たすだけでなく、量子情報処理におけるさまざまなアプリケーションの中心でもあります。HOM干渉に基づく量子精密測定理論とアプリケーションの革新は、現在の研究のホットスポットとなっています。
Xue Xianghui 氏のグループは、HOM 干渉と高次量子消去を利用して、異なる光源からの独立した光子に量子干渉現象を発現させ、この理論に基づくアップコンバージョン検出器に基づく 2 光子干渉大気ライダーシステムを開発しています。 このアプローチは、単一光子感度、高い量子効率、広い検出帯域幅、および多波長適用性を備えています。 量子消去と光圧縮サンプリング法を組み合わせて使用するこの量子レーダーシステムは、17 GHz (13 km/s に相当) の帯域幅で MHz のサンプリングレートで光信号を記録できます。 これにより、超高速ターゲットの連続検出における弱い信号の高サンプリングレートと大容量のデータ保存の問題が解決され、最大数十 km/秒の超高速連続速度の検出を実現する道が開かれます。
17GHz以上の検出帯域幅、周波数検出誤差60MHz以下（波長計誤差60MHz）
野外実験では、量子干渉レーダーシステムは70μJのエネルギーを使用して水平距離16kmの風場検出を実現し、既存のLiDARシステムと比較して検出感度が7-倍向上し、風場検出一貫性はR2=0.997に達しました。
70μJのエネルギーを使用して16kmの距離で風の場を検出
この技術の核心は、2光子干渉現象を利用し、量子消去によりノイズを抑制して信号対雑音比を向上させることです。2光子干渉とは、2つの光子が互いに干渉し、同時に存在していなくても相関関係が観測される量子光学現象です。一方、量子消去は、追加の光子を操作することで、2つの光子間の量子もつれ状態を消去または復元できる量子力学的プロセスです。
テレメトリにより、この技術は微弱信号の測定に大きな可能性を秘めていることが実証されました。光周波数は周波数弁別装置を使用せずに検出できます。これは、直接検出とコヒーレント検出の利点を組み合わせた新しい検出方法です。レーダー システムは光ファイバーで統合され、コンパクト化されており、将来的には超高速で移動する硬質および軟質ターゲットの連続リモート センシング測定に応用できる可能性があります。
