Nouvelles de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC), récemment, l'équipe LIDAR dirigée par le professeur Xianghui Xue a réalisé des progrès significatifs dans la recherche sur les systèmes LIDAR quantiques. L'équipe a présenté pour la première fois la théorie du lidar de mesure du vent basée sur le principe d'interférence quantique à conversion ascendante, et sur la base de cette innovation théorique, a développé avec succès un prototype. Par rapport au radar de mesure du vent cohérent traditionnel, le nouveau système réalise une plage de détection dynamique de vitesse de 0-13km/s et une amélioration de 7-fois de la sensibilité de détection. Ce résultat a été publié le 15 août 2024 dans ACS Photonics.
« Voir loin, voir bien, mesurer rapidement et mesurer avec précision » est l'objectif poursuivi par le LIDAR. Le LIDAR à photon unique permet une détection sensible à un photon unique par rapport au LIDAR conventionnel, ce qui a considérablement amélioré les performances. Cependant, la théorie du radar quantique utilisant des principes de mesure de précision quantique plus précis est encore en phase de développement. Depuis la découverte de l'interférence à deux photons (HOM) en 1987, l'interférence HOM est devenue une pierre angulaire essentielle pour distinguer les phénomènes quantiques de la physique classique, marquant l'aube d'une nouvelle ère d'exploration quantique. L'interférence HOM joue non seulement un rôle fondamental dans les mesures de temps précises et l'analyse d'état quantique, mais est également au cœur de diverses applications dans le traitement de l'information quantique. L'innovation de la théorie de la mesure de précision quantique et de l'application basée sur l'interférence HOM est devenue un point chaud de la recherche actuelle.
Le groupe de Xianghui Xue utilise l'interférence HOM et l'effacement quantique d'ordre supérieur pour faire en sorte que des photons indépendants provenant de différentes sources lumineuses présentent des phénomènes d'interférence quantique, et développe un système lidar atmosphérique interférométrique à deux photons basé sur des détecteurs à conversion ascendante basés sur cette théorie. Cette approche offre une sensibilité à un photon unique, une efficacité quantique élevée, une large bande passante de détection et une applicabilité multi-longueurs d'onde. En utilisant l'effacement quantique combiné à une méthode d'échantillonnage compressif optique, ce système radar quantique est capable d'enregistrer des signaux optiques avec un taux d'échantillonnage de MHz sur une bande passante de 17 GHz (correspondant à 13 km/s), ce qui résout le problème du taux d'échantillonnage élevé et de la grande capacité de stockage de données des signaux faibles dans la détection continue de cibles à très grande vitesse, et ouvre la voie à la réalisation de la détection de vitesses continues à très grande vitesse jusqu'à des dizaines de kilomètres/seconde.
Bande passante de détection supérieure à 17 GHz, erreur de détection de fréquence inférieure ou égale à 60 MHz (erreur du compteur de longueur d'onde 60 MHz)
Dans l'expérience sur le terrain, le système radar à interférence quantique utilise une énergie de 70 μJ pour réaliser la détection du champ de vent à une distance horizontale de 16 km, ce qui permet une amélioration de 7- fois de la sensibilité de détection avec une cohérence de détection du champ de vent de R2=0.997 par rapport au système LiDAR existant.
Détection du champ de vent à 16 km de distance en utilisant une énergie de 70 μJ
Le cœur de cette technologie est d'exploiter le phénomène d'interférence à deux photons et d'améliorer le rapport signal/bruit en supprimant le bruit par effacement quantique. L'interférence à deux photons est un phénomène d'optique quantique dans lequel deux photons interfèrent l'un avec l'autre et des corrélations sont observées même lorsqu'ils ne sont pas présents en même temps. L'effacement quantique, en revanche, est un processus de mécanique quantique qui peut être utilisé pour éliminer ou restaurer l'état d'intrication quantique entre deux photons en manipulant des photons supplémentaires.
La télémétrie a démontré que cette technique présente un grand potentiel pour les mesures de signaux faibles. Les fréquences optiques peuvent être détectées sans utiliser de dispositif de discrimination de fréquence, une nouvelle méthode de détection qui combine les avantages de la détection directe et cohérente. Le système radar a été intégré et compacté par fibre optique, avec des applications futures potentielles pour les mesures de télédétection continue de cibles dures et molles se déplaçant à très grande vitesse.
