radar cuántico

El radar cuántico es una tecnología de teledetección basada en efectos cuántico-mecánicos, como el principio de incertidumbre o el entrelazamiento cuántico . En términos generales, un radar cuántico puede considerarse un dispositivo que opera en el rango de microondas, que aprovecha las características cuánticas, tanto de la fuente de radiación como de la detección de salida, y que supera el rendimiento de un radar clásico. Un enfoque se basa en el uso de correlaciones cuánticas de entrada (en particular, el entrelazamiento cuántico) combinadas con una detección cuántica interferométrica adecuada en el receptor (estrechamente relacionada con el protocolo de iluminación cuántica ).

El desarrollo de un prototipo tecnológicamente viable de radar cuántico requiere la resolución de varios desafíos experimentales, como se analiza en algunos artículos de revisión, ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} el cual señaló la "información inexacta" en los medios. Los diseños experimentales actuales parecen limitarse a alcances muy cortos, del orden de un metro, ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} lo que sugiere que las posibles aplicaciones podrían ser, en cambio, para la vigilancia a corta distancia o el escaneo biomédico.

En 2015, un equipo internacional propuso un modelo de radar cuántico en el rango de microondas ^{[ 7 ]} , basado en el protocolo de iluminación cuántica gaussiana ^{[ 8 ]} . El concepto básico consiste en crear un flujo de fotones entrelazados de frecuencia visible y dividirlo por la mitad. Una mitad, el "haz de señal", se convierte a frecuencias de microondas preservando el estado cuántico original . La señal de microondas se envía y recibe como en un sistema de radar convencional . Al recibir la señal reflejada, se vuelve a convertir en fotones visibles y se compara con la otra mitad del haz entrelazado original, el "haz de reposo".

Aunque la mayor parte del entrelazamiento cuántico original se perderá debido a la decoherencia cuántica durante el viaje de las microondas hacia los objetos objetivo y de regreso, aún se mantendrán suficientes correlaciones cuánticas entre la señal reflejada y los haces de referencia. Mediante un esquema de detección cuántica adecuado, el sistema puede identificar únicamente los fotones emitidos originalmente por el radar, filtrando por completo cualquier otra fuente. Si el sistema logra funcionar en condiciones reales, representará un enorme avance en la capacidad de detección.

Una forma de burlar los sistemas de radar convencionales es emitir señales en las mismas frecuencias que utiliza el radar, lo que imposibilita que el receptor distinga entre sus propias emisiones y la señal de suplantación (o interferencia). Sin embargo, estos sistemas no pueden saber, ni siquiera en teoría, cuál era el estado cuántico original de la señal interna del radar. Al carecer de esta información, sus emisiones no coincidirán con la señal original y serán filtradas en el correlador. Las fuentes ambientales, como el eco terrestre y las auroras boreales , también serán filtradas.

Un diseño fue propuesto en 2005 por el contratista de defensa Lockheed Martin . ^{[ 9 ] [ 10 ]} La patente de este trabajo fue otorgada en 2013. El objetivo era crear un sistema de radar que proporcionara una mejor resolución y mayor detalle que el radar clásico. ^{[ 11 ]} Sin embargo, este diseño no demostró teóricamente ninguna ventaja cuántica ni mejor resolución.

En 2015, un equipo internacional de investigadores ^{[ 7} ] presentó el primer diseño teórico de un radar cuántico capaz de lograr una ventaja cuántica sobre una configuración clásica. En este modelo de radar cuántico, se considera la detección remota de un objetivo ^de baja reflectividad inmerso en un fondo de microondas brillante, con un rendimiento de detección muy superior a la capacidad de un radar de microondas clásico. Mediante el uso de un convertidor electro-optomecánico de longitud de onda adecuado, este esquema genera un excelente entrelazamiento cuántico entre un haz de señal de microondas, enviado para sondear la región objetivo, y un haz óptico auxiliar, retenido para la detección. El retorno de microondas recogido de la región objetivo se convierte posteriormente en un haz óptico y luego se mide conjuntamente con el haz auxiliar. Esta técnica extiende el potente protocolo de iluminación cuántica ^{[ 12 ]} a su dominio espectral más natural, es decir, las longitudes de onda de microondas.

En 2019, se propuso un protocolo de radar cuántico de mejora tridimensional. ^{[ 13 ]} Podría entenderse como un protocolo de metrología cuántica para la localización de un objetivo puntual no cooperativo en el espacio tridimensional. Empleaba entrelazamiento cuántico para lograr una incertidumbre en la localización que es cuadráticamente menor para cada dirección espacial que la que se podría lograr utilizando fotones independientes y no entrelazados .

En arXiv se encuentran disponibles artículos de revisión que profundizan en la historia y los diseños del radar cuántico, además de los mencionados en la introducción anterior . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

La realización de un radar cuántico es un desafío con la tecnología actual, aunque se ha logrado un prototipo experimental preliminar. ^{[ 16 ]}

Existen varios desafíos importantes para la implementación experimental de un prototipo de radar cuántico, incluso a corta distancia. Según los diseños actuales de iluminación cuántica, un aspecto crucial es la gestión del pulso de reposo que, idealmente, debería detectarse junto con el pulso de señal que regresa del objetivo potencial. Sin embargo, esto requeriría el uso de una memoria cuántica con un tiempo de coherencia prolongado, capaz de operar en tiempos comparables al tiempo de ida y vuelta del pulso de señal. Otras soluciones podrían degradar las correlaciones cuánticas entre los pulsos de señal y de reposo hasta el punto de que la ventaja cuántica desaparezca. Este problema también afecta a los diseños ópticos de iluminación cuántica. Por ejemplo, almacenar el pulso de reposo en una línea de retardo mediante una fibra óptica estándar degradaría el sistema y limitaría el alcance máximo de un radar de iluminación cuántica a unos 11  km. ^{[ 7 ]} Este valor debe interpretarse como un límite teórico de este diseño, y no debe confundirse con un alcance alcanzable. Otras limitaciones incluyen el hecho de que los diseños cuánticos actuales solo consideran una única polarización, azimut, elevación, alcance y bin Doppler a la vez. Las principales limitaciones del radar cuántico de microondas con respecto a la detección de objetivos convencionales y furtivos han sido analizadas recientemente en el artículo "Limitaciones de alcance en el radar cuántico de microondas" de G. Pavan y G. Galati. ^{[ 17 ]}

Existe especulación en los medios de comunicación sobre la posibilidad de que un radar cuántico opere a larga distancia detectando aeronaves furtivas, filtrando intentos deliberados de interferencia y operando en áreas con alto ruido de fondo, por ejemplo, debido a la interferencia terrestre. En relación con lo anterior, existe considerable especulación en los medios sobre el uso del radar cuántico como una posible tecnología anti-furtiva. ^{[ 18 ]} Las aeronaves furtivas están diseñadas para reflejar las señales lejos del radar, generalmente mediante el uso de superficies redondeadas y evitando cualquier cosa que pueda formar un reflector de esquina parcial . Esto reduce tanto la cantidad de señal que regresa al receptor del radar que el objetivo se pierde (idealmente) en el ruido térmico de fondo . Si bien las tecnologías furtivas seguirán siendo igual de efectivas para reflejar la señal original lejos del receptor de un radar cuántico, es la capacidad del sistema para separar la pequeña señal restante, incluso cuando está enmascarada por otras fuentes, lo que le permite detectar el retorno incluso de diseños altamente furtivos. Por el momento, estas aplicaciones de largo alcance son especulativas y no están respaldadas por datos experimentales.

Más recientemente, la generación de grandes cantidades de fotones entrelazados para la detección por radar ha sido estudiada por la Universidad de Waterloo . ^{[ 19 ]}