양자 레이더

양자 레이더 또는 퀀텀 레이더(Quantum radar)는 불확정성 원리 또는 양자 얽힘과 같은 양자역학적 효과에 기반한 원격탐사 기술이다. 광범위하게 말하면, 양자 레이더는 마이크로파 범위에서 작동하는 장치로 볼 수 있으며, 방사선원 및 출력 검출 관점에서 양자 특성을 활용하고 고전적인 대응 장치보다 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 한 가지 접근 방식은 수신기에서 적절한 간섭계적 양자 검출(특히 양자 조명 프로토콜과 밀접하게 관련됨)과 결합된 입력 양자 상관 관계(특히 양자 얽힘)를 사용하는 것이다.

기술적으로 실현 가능한 양자 레이더 시제품을 위한 길을 닦는 것은 일부 검토 기사에서 논의된 바와 같이 여러 실험적 난제의 해결을 포함하며, 후자는 언론의 "부정확한 보도"를 지적했다. 현재 실험 설계는 1미터 정도의 매우 짧은 범위로 제한되는 것으로 보인다. 이는 잠재적인 응용 분야가 근거리 감시 또는 생체 의학 스캔에 있을 수 있음을 시사한다.

 마이크로파 범위 모델의 개념 

양자 레이더의 마이크로파 범위 모델은 2015년에 국제 연구팀에 의해 제안되었으며 가우스 양자 조명 프로토콜을 기반으로 한다. 기본 개념은 얽힌 가시 주파수 광자 흐름을 생성하고 이를 절반으로 나누는 것이다. 한 절반인 "신호 빔"은 원래의 양자 상태를 보존하는 방식으로 마이크로파 주파수로 변환된다. 그런 다음 마이크로파 신호는 일반적인 레이더 시스템과 같이 송신 및 수신된다. 반사된 신호가 수신되면 가시 광자로 다시 변환되어 원래 얽힌 빔의 다른 절반인 "아이들러 빔"과 비교된다.

마이크로파가 목표 물체로 이동하고 돌아오는 동안 양자 결어긋남으로 인해 원래 얽힘의 대부분이 손실되겠지만, 반사된 신호와 아이들러 빔 사이에는 여전히 충분한 양자 상관 관계가 남아 있을 것이다. 적절한 양자 검출 방식을 사용하면 시스템은 레이더에서 원래 보낸 광자만 골라내어 다른 모든 소스를 완전히 걸러낼 수 있다. 시스템이 현장에서 작동하도록 만들 수 있다면, 이는 탐지 능력의 엄청난 진전을 의미한다.

기존 레이더 시스템을 무력화하는 한 가지 방법은 레이더가 사용하는 것과 동일한 주파수로 신호를 방송하여 수신기가 자체 방송과 스푸핑 신호(또는 "재밍")를 구별하지 못하게 하는 것이다. 그러나 이러한 시스템은 이론적으로도 레이더 내부 신호의 원래 양자 상태가 무엇이었는지 알 수 없다. 그러한 정보가 없으면, 그들의 방송은 원래 신호와 일치하지 않으며 상관기에서 걸러질 것이다. 지상 클러터 및 오로라와 같은 환경 소스도 마찬가지로 걸러질 것이다.

 역사 

한 가지 설계는 2005년 국방 계약업체인 록히드 마틴이 제안했다. 이 작업에 대한 특허는 2013년에 부여되었다. 목표는 고전적인 레이더보다 더 나은 해상도와 더 높은 디테일을 제공하는 레이더 시스템을 만드는 것이었다. 그러나 이 설계는 양자 우위나 더 나은 해상도를 이론적으로 입증하지 못했다.

2015년에 국제 연구원 팀은 고전적인 설정보다 양자 우위를 달성할 수 있는 양자 레이더의 첫 번째 이론적 설계를 선보였다. 이 양자 레이더 모델에서는 밝은 마이크로파 배경에 내장된 낮은 반사율의 목표물을 원격 감지하는 것을 고려하며, 탐지 성능은 고전적인 마이크로파 레이더의 능력을 훨씬 뛰어넘는다. 적절한 파장의 "전기-광학-기계 변환기"를 사용하여 이 방식은 목표 영역을 탐색하기 위해 보내지는 마이크로파 신호 빔과 탐지를 위해 보존되는 광학 아이들러 빔 사이에 우수한 양자 얽힘을 생성한다. 목표 영역에서 수집된 마이크로파 반사 신호는 이후 광학 빔으로 변환된 다음 아이들러 빔과 함께 측정된다. 이러한 기술은 강력한 양자 조명 프로토콜을 더욱 자연스러운 스펙트럼 영역, 즉 마이크로파 파장으로 확장한다.

2019년에는 3차원 향상 양자 레이더 프로토콜이 제안되었다. 이는 3차원 공간에서 비협조적인 점과 같은 목표물의 위치를 파악하기 위한 양자 도량형학 프로토콜로 이해될 수 있다. 이는 양자 얽힘을 사용하여 독립적이고 얽히지 않은 광자를 사용하는 것보다 각 공간 방향에서 제곱적으로 작은 위치 불확실성을 달성했다.

서론에서 언급된 것 외에도 양자 레이더의 역사와 설계에 대해 더 자세히 다루는 검토 기사는 ArXiv에서 볼 수 있다.

양자 레이더는 예비 실험 시제품이 실현되었음에도 불구하고 현재 기술로는 구현하기 어렵다.

 과제 및 한계 

실제 양자 레이더 시제품의 실험적 구현에는 짧은 범위에서도 여러 가지 비자명적인 과제가 있다. 현재 양자 조명 설계에 따르면, 중요한 점은 이상적으로는 잠재적 목표물에서 돌아오는 신호 펄스와 함께 공동으로 감지되어야 하는 아이들러 펄스의 관리이다. 그러나 이는 신호 펄스의 왕복 시간과 비교할 수 있는 시간 동안 작동할 수 있는 긴 코히어런스 시간을 가진 양자 메모리의 사용을 필요로 할 것이다. 다른 해결책은 신호 및 아이들러 펄스 간의 양자 상관 관계를 양자 우위가 사라질 정도로 저하시킬 수 있다. 이는 양자 조명의 광학 설계에도 영향을 미치는 문제이다. 예를 들어, 표준 광섬유를 사용하여 지연선에 아이들러 펄스를 저장하면 시스템이 저하되고 양자 조명 레이더의 최대 범위가 약 11km로 제한될 것이다. 이 값은 달성 가능한 범위와 혼동해서는 안 되는 이 설계의 이론적 한계로 해석되어야 한다. 다른 한계로는 현재 양자 설계가 한 번에 하나의 편파, 방위각, 고도, 범위, 도플러 빈만 고려한다는 사실이 포함된다. 마이크로파 양자 레이더의 주요 한계점은 최근 G. Pavan과 G. Galati의 논문 "Range Limitations in Microwave Quantum Radar"에서 분석되었다.https://www.mdpi.com/2865432

 응용 분야에 대한 언론의 추측 

언론에서는 양자 레이더가 장거리에서 스텔스기를 탐지하고, 의도적인 재밍 시도를 걸러내고, 지상 클러터와 같은 높은 배경 잡음 지역에서도 작동할 수 있다는 추측이 있다.
위와 관련하여 양자 레이더가 잠재적인 대스텔스 기술로 사용될 것이라는 언론의 상당한 추측이 있다. 스텔스기는 신호를 레이더에서 멀리 반사하도록 설계되었으며, 일반적으로 둥근 표면을 사용하고 부분 코너 리플렉터를 형성할 수 있는 모든 것을 피한다. 이는 레이더 수신기로 돌아오는 신호의 양을 너무 많이 줄여 목표물이 (이상적으로) 열잡음에 묻히게 한다. 스텔스 기술은 여전히 양자 레이더 수신기에서 원래 신호를 효과적으로 반사시키겠지만, 다른 소스에 압도당하더라도 남아 있는 미미한 신호를 분리해내는 시스템의 능력이 매우 은밀한 설계에서도 반사 신호를 포착할 수 있게 한다. 현재 이러한 장거리 응용 분야는 추측에 불과하며 실험 데이터에 의해 뒷받침되지 않는다.

최근에는 워털루 대학교에서 레이더 탐지를 위한 많은 수의 얽힌 광자 생성에 대한 연구가 이루어졌다.

 각주 

분류:양자정보과학
분류:레이더
분류:양자광학