Quantenradar und die Erzeugung von Quantenmikrowellen

Supraleitende elektronische Bauteile, die jenen ähneln, die in den Quantencomputern von Google und IBM verwendet werden, können zur Erzeugung von Mikrowellen eingesetzt werden. Solche Bauteile operieren bei sehr tiefen Temperaturen (~ 0.1 Kelvin), sind von allen Störeinflüssen abgeschirmt und werden daher durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben. Die erzeugte Mikrowellenstrahlung kann dann ebenfalls quantenmechanische Eigenschaften haben. Sie unterscheidet sich damit fundamental von konventionell erzeugten elektromagnetischen Wellen, zum Beispiel von der Strahlung, die ein Wechselstrom in einer Radiosender-Antenne erzeugt, von dem Licht eines Lasers, oder von der thermischen Strahlung einer Glühbirne.

Zusammen mit Experimentalphysikern in Paris (CEA-Saclay) haben wir in den letzten Jahren gezeigt, dass sogenannte Josephson-Photonik Bauteile so operieren können, dass

  • die einzelnen Photonen eine Ordnung haben (Ein-Photonen-Quelle)
  • mehrere Photonen auf einmal erzeugt werden (Paar und Multiplett-Quellen)
  • oder quantenmechanisch verschränkte Strahlung in zwei Frequenzen abgestrahlt wird.

Licht oder Mikrowellen mit den genannten Verschränkungseigenschaften können genutzt werden, um die Sensitivität in der Beobachtung eines Objektes zu erhöhen. Wir erkunden zusammen mit dem DLR Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme die Möglichkeiten, diese Konzepte in einem Quantenradar einzusetzen. In einem solchen System wird einer der erzeugten verschränkten Signale zum Beobachtungsobjekt ausgesandt und das reflektierte Signal wird mit dem zweiten (einbehaltenen) Signal in einer Korrelationsmessung erfasst. Der Einfluss störender Streustrahlung wird durch dieses Verfahren minimiert, was Quantenradarsystemen eine fundamentale Überlegenheit gegenüber jedem klassischen Radarsystem ermöglichen sollte. Wir betreiben dabei erste grundlegende Studien, bevor Schritte zu einer nutzbaren Technologie angegangen werden können.