量子技术是利用量子力学原理运行的各种设备，在某些任务上可以显着优于传统设备。因此，全世界的物理学家和工程师一直在努力实现这种长期追求的相对于经典计算方法的“量子优势”。

CNRS里昂高等师范学院的一个研究团队最近开发了一种量子雷达，其性能明显优于所有基于经典方法的现有雷达。这种新型雷达是在《自然物理学》上发表的一篇论文中介绍的，它可以同时测量纠缠探针以及该探针从目标物体反射后与热噪声合并时出现的闲频微波光子状态。

进行这项研究的研究人员之一本杰明·华德(BenjaminHuard)告诉Phys.org：“我们在2020年发明了一种超导电路，它能够产生纠缠、存储和操纵微波量子态，并计算微波场中的光子数量。”“然后我们意识到它具有解决微波量子计量中最大挑战之一所需的所有功能：展示雷达传感中的量子优势。”

过去的几项研究试图开发性能优于传统雷达的量子雷达。这种量子优势最终通过光学系统实现，但在这项研究之前，尚未通过微波辐射实现。

因此，Huard和他的同事是第一个开发出基于微波的量子雷达的人，其性能明显优于迄今为止报道的任何经典雷达技术。他们的雷达的工作原理是利用两种微波辐射之间的相关性，超出了经典物理理论的范围。

华德解释说：“我们的雷达在微波谐振器和信号之间产生量子纠缠，该信号向被大量微波噪声隐藏的目标(例如大气中的目标)发射。”“如果目标确实存在，它会反射一小部分信号和大量噪声。然后，我们的设备将这部分感兴趣的信号与存储在谐振器中的场结合起来，根据目标是否存在产生更多或更少的光子。最后，内置的微波光子计数器探测这些光子。”

量子雷达的操作方案。生成纠缠对信号/闲频信号。仅当目标朝向接收器时，信号才会被反射。许多背景噪声也会传向接收器。通过对模糊信号和闲频信号的联合测量，可以比具有相同信号光子数量的任何经典状态更快地确定目标是否存在。图片来源：QuantumCircuitGroup(ENSdeLyon)。

过去的研究表明，在信号功率和目标噪声相当的情况下，量子相关性可以使雷达检测速度提高四倍。在初步评估中，研究人员开发的微波量子雷达与经典雷达相比，雷达检测速度提高了20%。

华德说：“尽管操作条件很简单，但要让这次演示成功却非常困难。”“我们只处理一个未知数：目标是否存在，并且我们在远离露天的10mK下进行了整个实验。我发现在量子雷达中直接应用最令人畏惧的是，该方案需要远小于微波光子的信号来观察量子优势，而且我们看到初始信号必须与谐振器纯粹纠缠多少才能获得有用的东西。”

华德和他的同事进行了一系列测试，测量了雷达在各种参数上的量子优势。这些测试表明，其设备中探头和惰轮之间初始纠缠态的纯度可能是一个限制因素，在现实环境中实施雷达时应考虑这一点。

华德说：“我发现最有趣的是，尽管环境如此嘈杂，纠缠无法生存，但我们仍然可以获得量子优势。”“这是一个罕见的例子，可以利用超越经典的相关性来获得优势，而无需任何剩余的纠缠。”

该研究团队最近的工作极大地促进了旨在提高量子雷达技术性能的持续努力。未来，支撑其功能的方法可能会激发类似微波量子雷达的开发，从而实现更大的量子优势。

“我相信还有更多的应用等待被发现，这些非经典但无纠缠的相关性在其中发挥着作用，”华德补充道。“我们现在希望更好地了解如何使用量子资源进行微波传感，例如在电子自旋共振或轴子研究的背景下。”