Kwantumilluminatie: hoe verstrengelde lichtdeeltjes objecten zichtbaar maken in ruis
Stel je voor dat je in een pikdonkere, mistige kamer een klein, dof voorwerp probeert te vinden met een zaklamp. Het licht verstrooit alle kanten op, de mist kaatst fotonen (lichtdeeltjes) terug in je ogen, en het zwakke beetje licht dat echt van het voorwerp terugkomt, verdrinkt in die ruis. Kwantumilluminatie is een techniek die precies dit probleem aanpakt: ze gebruikt speciale, 'verstrengelde' lichtdeeltjes om een zwak signaal terug te vinden in een zee van storende ruis, iets waar gewoon licht of radar veel slechter in is.
Het idee komt uit de kwantummechanica, het deel van de natuurkunde dat het gedrag van deeltjes op de kleinste schaal beschrijft. Twee deeltjes kunnen 'verstrengeld' raken: hun eigenschappen blijven met elkaar verbonden, ook als ze ver van elkaar vandaan zijn. Bij kwantumilluminatie stuur je één deeltje van zo'n verstrengeld paar op een missie de wereld in, terwijl je het andere thuis bewaart. Zelfs als het uitgezonden deeltje onderweg flink te lijden heeft van ruis en verlies, blijkt er nog genoeg van die oorspronkelijke band over te zijn om een object veel beter te kunnen opsporen dan met gewoon licht of gewone radiogolven mogelijk zou zijn.
Wat is het precies?
Het startpunt is een bron die paren van kwantumdeeltjes maakt die met elkaar verstrengeld zijn, bijvoorbeeld paren fotonen (lichtdeeltjes) of, bij de radiogolf-variant, paren microgolffotonen. Van elk paar wordt één deeltje het 'signaal' genoemd en de andere de 'idler' (letterlijk: de deeltje die stilstaat, thuisblijft).
Het signaaldeeltje wordt de kamer, de lucht of de ruimte in gestuurd, in de richting waar mogelijk een object verstopt zit. Onderweg wordt dit deeltje blootgesteld aan verstrooiing, absorptie en achtergrondruis, denk aan zonlicht, thermische straling of andere storende signalen. Als er een object is, kaatst een klein deel van het signaal terug; is er geen object, dan komt er niets terug of alleen ruis.
Het idler-deeltje blijft intussen veilig in het lab. Wanneer het (eventueel) teruggekaatste signaal weer binnenkomt, wordt het samen met de bewaarde idler geanalyseerd met een gezamenlijke meting. Belangrijk detail: door alle ruis en verlies onderweg is de oorspronkelijke kwantumverstrengeling meestal allang verdwenen tegen de tijd dat het signaal terugkomt. Toch blijft er een subtielere vorm van kwantumcorrelatie over tussen signaal en idler, en die correlatie is genoeg om een object betrouwbaarder te ontdekken dan wanneer je met puur klassiek (niet-kwantum) licht van dezelfde sterkte had gewerkt.
Dit is de theoretische kern die natuurkundige Seth Lloyd van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 2008 beschreef: je hoeft de verstrengeling zelf niet te bewaren om er profijt van te hebben, de wiskundige 'voetafdruk' ervan in de gezamenlijke meting is voldoende voor een meetbaar voordeel.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is betere detectie in omstandigheden waarin gewone sensoren het moeilijk hebben: veel achtergrondruis, een zwak terugkaatsend object, of allebei. Klassieke radar en lidar (radar met licht in plaats van radiogolven) werken uitstekend bij heldere signalen, maar verliezen gevoeligheid zodra de ruisvloer hoog is of het doelwit weinig reflecteert.
Een veelgenoemde toepassing is 'kwantumradar': het idee dat een radarsysteem gebaseerd op kwantumilluminatie stealth-vliegtuigen of andere moeilijk te detecteren objecten zou kunnen opsporen, omdat die objecten juist zijn ontworpen om weinig radiogolven terug te kaatsen. Andere beoogde toepassingen liggen in medische beeldvorming met extreem lage lichtintensiteit (om weefsel te sparen), in astronomie, en in communicatie- en sensortechnologie waar signalen bewust zwak worden gehouden om detectie door derden te bemoeilijken.
Onderliggend wetenschappelijk doel is simpelweg uitzoeken hoeveel voordeel kwantummechanica concreet oplevert boven de beste klassieke methode, en of dat voordeel praktisch te benutten is buiten het laboratorium.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal experimenten heeft het concept sindsdien getest, meestal in het optische of het microgolf-domein:
- 2013, INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Turijn, Italië: een onderzoeksteam rond Ivano Ruo Berchera en Marco Genovese liet met zichtbaar licht een van de eerste experimentele demonstraties zien van het voordeel van verstrengelde fotonenparen bij detectie in een ruisrijke omgeving.
- Rond 2015, MIT, Verenigde Staten: onderzoekers verbonden aan de groep van Jeffrey Shapiro en Franco Wong toonden in een sterk verliesgevende en ruisrijke opstelling aan dat een kwantumgebaseerde methode een meetbaar voordeel behield, ook nadat de oorspronkelijke verstrengeling door de ruis was 'gebroken'.
- 2020, IST Austria / TU Wien-omgeving, Oostenrijk: een team met onder meer Shabir Barzanjeh, Stefano Pirandola en Johannes Fink bouwde een van de eerste experimenten met microgolven, de golflengte die echte radar gebruikt. Met supergeleidende schakelingen die extreem koud gehouden moeten worden (dicht bij het absolute nulpunt) wekten ze verstrengelde microgolfvelden op en lieten een detectievoordeel zien ten opzichte van een vergelijkbaar 'klassiek ruisradar'-systeem, over een afstand van enkele meters in een gecontroleerde labomgeving.
- 2016, China Electronics Technology Group Corporation (CETC): dit Chinese staatsbedrijf meldde een prototype 'kwantumradar' te hebben getest met een claim van tientallen kilometers bereik. Deze claim is nooit onafhankelijk gepubliceerd of geverifieerd in een wetenschappelijk tijdschrift, en wordt door de meeste onderzoekers in het veld met scepsis bekeken.
Hoe ver is de techniek?
Kwantumilluminatie is wetenschappelijk stevig onderbouwd: het theoretische voordeel is wiskundig bewezen voor bepaalde ruis- en verliesregimes, met name door werk van onder anderen Stefano Pirandola. Experimenteel is het voordeel meermaals aangetoond, maar steeds in beperkte, gecontroleerde laboratoriumopstellingen.
De grootste horde zit in de radiogolf-variant die relevant is voor echte radar: om verstrengelde microgolffotonen te maken en te meten, zijn supergeleidende circuits nodig die tot vlak boven het absolute nulpunt gekoeld moeten worden. Dat maakt de huidige opstellingen groot, kwetsbaar en beperkt tot afstanden van centimeters tot hooguit enkele meters, ver verwijderd van een radarsysteem dat kilometers ver moet kunnen 'zien'.
Een tweede obstakel is de ontvangstkant: om het volledige theoretische voordeel te benutten is een zogeheten 'gezamenlijke kwantummeting' nodig die signaal en bewaarde idler optimaal combineert. Zulke metingen zijn technisch lastig te bouwen; de meeste experimenten tot nu toe gebruiken vereenvoudigde, 'digitale' ontvangers die een deel van het voordeel behouden maar niet het volledige theoretische maximum.
Kortom: het fysische principe werkt en is herhaaldelijk gemeten, maar een operationeel, veldklaar kwantumradarsysteem bestaat nog niet en ligt vermoedelijk nog jaren tot decennia weg, als het al praktisch haalbaar blijkt op relevante afstanden.
Wie werken eraan?
Het theoretische fundament komt van Seth Lloyd (MIT), met belangrijke verdere uitwerking van de grenzen van het voordeel door Stefano Pirandola, verbonden aan de Universiteit van York in het Verenigd Koninkrijk. Experimenteel optisch onderzoek is onder meer gedaan bij INRIM in Turijn (Italië) en bij het Research Laboratory of Electronics van MIT, met onderzoekers als Jeffrey Shapiro, Franco Wong en Zheshen Zhang (de laatste inmiddels verbonden aan de Universiteit van Arizona).
Op het gebied van microgolf-experimenten, dichter bij echte radartoepassingen, is het Institute of Science and Technology Austria (ISTA) een van de belangrijkste centra, met onderzoekers als Johannes Fink en Shabir Berzanjeh. Daarnaast tonen defensie-gerelateerde instanties interesse: naast de genoemde, niet onafhankelijk geverifieerde Chinese claims van CETC, financieren ook Amerikaanse en Europese defensie- en onderzoeksorganisaties (zoals onderdelen van de NAVO-lidstaten en Amerikaanse onderzoeksprogramma's op het gebied van kwantumsensing) verkennend onderzoek naar kwantumradar, doorgaans nog in een vroeg, fundamenteel stadium.