الرادار الكمي

الرادار الكمومي هو تقنية استشعار عن بُعد تعتمد على تأثيرات ميكانيكا الكم، مثل مبدأ عدم اليقين أو التشابك الكمومي . وبشكل عام، يُمكن اعتبار الرادار الكمومي جهازًا يعمل في نطاق الموجات الميكروية، ويستغل الخصائص الكمومية من حيث مصدر الإشعاع و/أو كشف الإشارة، وهو قادر على التفوق على نظيره التقليدي. يعتمد أحد الأساليب على استخدام الارتباطات الكمومية المدخلة (وخاصة التشابك الكمومي) مع كشف كمومي تداخلي مناسب عند جهاز الاستقبال (يرتبط ارتباطًا وثيقًا ببروتوكول الإضاءة الكمومية ).

يتطلب تمهيد الطريق لنموذج أولي قابل للتطبيق تقنيًا لرادار كمومي حل عدد من التحديات التجريبية، كما نوقش في بعض المقالات الاستعراضية ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]،} والتي أشارت الأخيرة منها إلى "تقارير غير دقيقة" في وسائل الإعلام. ويبدو أن التصاميم التجريبية الحالية تقتصر على نطاقات قصيرة جدًا، في حدود متر واحد ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]،} مما يوحي بأن التطبيقات المحتملة قد تكون في مجال المراقبة عن قرب أو المسح الطبي الحيوي.

في عام ٢٠١٥، اقترح فريق دولي نموذجًا لرادار كمومي يعمل ضمن نطاق الموجات الميكروية ^{[ ٧ ]} ، ويعتمد هذا النموذج على بروتوكول الإضاءة الكمومية الغاوسية ^{[ ٨ ]} . وتتلخص الفكرة الأساسية في توليد سيل من الفوتونات المتشابكة ذات التردد المرئي، ثم تقسيمه إلى نصفين. يخضع أحد النصفين، وهو "شعاع الإشارة"، لعملية تحويل إلى ترددات ميكروية تحافظ على الحالة الكمومية الأصلية . بعد ذلك، تُرسل إشارة الميكروويف وتُستقبل كما في نظام الرادار التقليدي . وعند استقبال الإشارة المنعكسة، تُحوّل مرة أخرى إلى فوتونات مرئية، ثم تُقارن بالنصف الآخر من الشعاع المتشابك الأصلي، وهو "شعاع الترددات المنخفضة".

على الرغم من أن معظم التشابك الكمومي الأصلي سيُفقد نتيجةً لتفكك الترابط الكمومي أثناء انتقال الموجات الميكروية إلى الأجسام المستهدفة وعودتها، إلا أن عددًا كافيًا من الارتباطات الكمومية سيظل قائمًا بين الإشارة المنعكسة وحزم الموجات الخاملة. وباستخدام نظام كشف كمومي مناسب، يستطيع النظام انتقاء الفوتونات التي أُرسلت في الأصل من الرادار، مع استبعاد أي مصادر أخرى تمامًا. وإذا ما أمكن تشغيل النظام ميدانيًا، فسيمثل ذلك تقدمًا هائلًا في قدرات الكشف.

إحدى طرق تعطيل أنظمة الرادار التقليدية هي بث إشارات على نفس الترددات التي يستخدمها الرادار، مما يجعل من المستحيل على جهاز الاستقبال التمييز بين بثه الخاص وإشارة التشويش. مع ذلك، لا يمكن لهذه الأنظمة، حتى نظريًا، معرفة الحالة الكمومية الأصلية للإشارة الداخلية للرادار. وبسبب غياب هذه المعلومات، لن تتطابق إشاراتها مع الإشارة الأصلية، وسيتم ترشيحها في جهاز الترابط. وبالمثل، سيتم ترشيح مصادر التشويش البيئية، مثل التشويش الأرضي والشفق القطبي .

اقترحت شركة لوكهيد مارتن ، المتخصصة في الصناعات الدفاعية ، تصميمًا في عام 2005. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وحصلت الشركة على براءة اختراع لهذا التصميم في عام 2013. وكان الهدف هو ابتكار نظام رادار يوفر دقة أعلى وتفاصيل أدق مما يوفره الرادار التقليدي. ^{[ 11 ]} إلا أنه لم يثبت نظريًا أي تفوق كمي أو دقة أفضل لهذا التصميم.

في عام ٢٠١٥، قدّم فريق دولي من الباحثين [ ^{٧ ] أول} تصميم نظري لرادار كمومي قادر على تحقيق تفوق كمومي على الأنظمة التقليدية. في هذا النموذج، يُنظر في الاستشعار عن بُعد لهدف منخفض الانعكاسية مُضمّن في خلفية ميكروية ساطعة، مع أداء كشف يتجاوز بكثير قدرة الرادار الميكروي التقليدي. باستخدام مُحوّل كهروضوئي ميكانيكي مناسب الطول الموجي، يُولّد هذا النظام تشابكًا كموميًا ممتازًا بين شعاع إشارة ميكروي، مُرسل لاستكشاف منطقة الهدف، وشعاع ضوئي مُهمل، مُحتفظ به للكشف. يُحوّل الارتداد الميكروي المُجمّع من منطقة الهدف لاحقًا إلى شعاع ضوئي، ثم يُقاس بالتزامن مع الشعاع المُهمل. تُوسّع هذه التقنية بروتوكول الإضاءة الكمومية الفعال ^{[ ١٢ ]} إلى نطاقه الطيفي الطبيعي، أي أطوال موجات الميكروويف.

في عام 2019، تم اقتراح بروتوكول رادار كمومي مُحسَّن ثلاثي الأبعاد. ^{[ 13 ]} ويمكن فهمه على أنه بروتوكول قياس كمومي لتحديد موقع هدف نقطي غير متعاون في الفضاء ثلاثي الأبعاد. وقد استخدم التشابك الكمومي لتحقيق عدم يقين في تحديد الموقع أصغر تربيعيًا لكل اتجاه مكاني مما يمكن تحقيقه باستخدام فوتونات مستقلة غير متشابكة .

تتوفر على موقع arXiv مقالات مراجعة تتعمق أكثر في تاريخ وتصميمات الرادار الكمومي، بالإضافة إلى تلك المذكورة في المقدمة أعلاه . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

يُعدّ تحقيق رادار كمومي تحدياً باستخدام التكنولوجيا الحالية، على الرغم من تحقيق نموذج تجريبي أولي. ^{[ 16 ]}

يواجه التنفيذ التجريبي لنموذج أولي لرادار كمومي حقيقي، حتى على المدى القصير، عددًا من التحديات المعقدة. وفقًا لتصاميم الإضاءة الكمومية الحالية، تكمن إحدى النقاط المهمة في إدارة نبضة التباطؤ، التي يُفترض، من الناحية المثالية، أن تُكتشف بالتزامن مع نبضة الإشارة العائدة من الهدف المحتمل. مع ذلك، يتطلب هذا استخدام ذاكرة كمومية ذات زمن تماسك طويل، قادرة على العمل في أزمنة تُقارب زمن ذهاب وإياب نبضة الإشارة. قد تُؤدي حلول أخرى إلى تدهور الارتباطات الكمومية بين نبضتي الإشارة والتباطؤ إلى درجة قد تُفقد معها الميزة الكمومية. هذه مشكلة تؤثر أيضًا على التصاميم البصرية للإضاءة الكمومية. على سبيل المثال، سيؤدي تخزين نبضة التباطؤ في خط تأخير باستخدام ألياف بصرية قياسية إلى تدهور النظام وتقييد المدى الأقصى لرادار الإضاءة الكمومية إلى حوالي 11  كيلومترًا. ^{[ 7 ]} يجب تفسير هذه القيمة على أنها حد نظري لهذا التصميم، ولا ينبغي الخلط بينها وبين المدى الفعلي. تشمل القيود الأخرى حقيقة أن التصاميم الكمومية الحالية لا تأخذ في الاعتبار سوى استقطاب واحد، وسمت، وارتفاع، ومدى، ونطاق دوبلر في كل مرة. وقد تم تحليل القيود الرئيسية لرادار الموجات الميكروية الكمومي فيما يتعلق بالكشف عن الأهداف التقليدية والتخفية مؤخرًا في ورقة بحثية بعنوان "قيود المدى في رادار الموجات الميكروية الكمومي" من تأليف جي. بافان وجي. غالاتي. ^{[ 17 ]}

تُثار تكهنات إعلامية حول إمكانية استخدام رادار كمومي في نطاقات بعيدة لكشف الطائرات الشبحية، وتصفية محاولات التشويش المتعمدة ، والعمل في مناطق ذات ضوضاء خلفية عالية، كالتشويش الناتج عن العوائق الأرضية. وفي هذا السياق، تُثار تكهنات إعلامية واسعة حول استخدام الرادار الكمومي كتقنية محتملة لمكافحة التخفي. ^{[ 18 ]} تُصمم الطائرات الشبحية لعكس الإشارات بعيدًا عن الرادار، عادةً باستخدام أسطح دائرية وتجنب أي شيء قد يُشكل عاكسًا جزئيًا في الزاوية . هذا يُقلل بشكل كبير من كمية الإشارة المُعادة إلى مستقبل الرادار، بحيث يختفي الهدف (نظريًا) وسط الضوضاء الحرارية الخلفية . ورغم أن تقنيات التخفي ستظل فعالة بنفس القدر في عكس الإشارة الأصلية بعيدًا عن مستقبل الرادار الكمومي، إلا أن قدرة النظام على فصل الإشارة الضئيلة المتبقية، حتى عند طغيان مصادر أخرى عليها، هي ما يسمح له برصد الإشارة حتى من التصاميم شديدة التخفي. في الوقت الحالي، تُعد هذه التطبيقات بعيدة المدى مجرد تكهنات وليست مدعومة ببيانات تجريبية.

وفي الآونة الأخيرة، قامت جامعة واترلو بدراسة توليد أعداد كبيرة من الفوتونات المتشابكة للكشف الراداري . ^{[ 19 ]}