Lidar Iliyoimarishwa na Quantum: Kupima Umbali Kwa Uthabiti Dhidi ya Uvunjaji wa Kawaida

2.1 Vikwazo vya Lidar ya Kawaida

Lidar ya kawaida ya mwanga, ingawa ni muhimu kwa kupima umbali kwa usahihi, inakabiliwa na changamoto katika hali za ishara duni na mazingira ya nyuma yenye nguvu. Wakati kutafakari kwa lengo ni duni au kelele ya mazingira/uvunjaji ni ya juu, mifumo ya kawaida haiwezi kutofautisha kwa uaminifu fotoni za ishara na fotoni za kelele, na kusababisha uwiano duni wa ishara-kwa-kelele (SNR) na kushindwa kugundua lengo.

2.2 Kanuni za Mwangaza wa Quantum

Mwangaza ulioimarishwa na quantum unatoa suluhisho kwa kutumia uhusiano wa mwanga usio wa kawaida. Kwa kutumia chanzo cha jozi za fotoni zilizotangazwa (k.m., kutokana na upunguzaji wa parametric wa hiari), fotoni moja ("idler") huhifadhiwa ndani kama kigezo cha kumbukumbu, huku mwenzi wake aliyeunganishwa ("ishara") akitumwa kuchunguza lengo. Ugunduzi wa matukio yanayolingana kati ya ishara inayorudi na "idler" hutoa utaratibu wenye nguvu wa kukataa kelele isiyohusiana ya mazingira ya nyuma, kwani fotoni za kelele hazina uwezekano wa kufika kwa wakati unaolingana na tangazo la kwanza.

3.1 Usanidi wa Majaribio

Mfumo huu unategemea chanzo cha jozi za fotoni kinachopigwa kwa mfululizo (CW). Fotoni ya ishara inaelekezwa kuelekea lengo, huku "idler" ikicheleweshwa na kutumika kama tangazo. Vigunduzi vya fotoni moja hukamata njia zote mbili, na moduli ya kuhesabu fotoni moja iliyounganishwa kwa wakati (TCSPC) inarekodi matukio ya ugunduzi kwa ajili ya uchambuzi wa matukio yanayolingana.

3.2 Mfumo wa Uchambuzi wa Log-Likelihood

Utendaji unabainishwa kwa kutumia jaribio la uwiano wa log-likelihood (LLR), njia ya takwimu bora zaidi kwa kutofautisha kati ya nadharia mbili (lipo lengo dhidi ya hakipo) chini ya kelele. LLR, $\Lambda$, inahesabiwa kutoka kwa hesabu zilizopimwa za matukio yanayolingana na yale ya pekee kwa muda wa $\Delta\tau$:

$\Lambda = \log\left(\frac{P(\text{data} | H_1)}{P(\text{data} | H_0)}\right)$

ambapo $H_1$ ni nadharia ya kuwepo kwa lengo na $H_0$ ni nadharia ya kutokuwepo kwa lengo. Mfumo huu hutoa kipimo kamili cha uaminifu wa ugunduzi na uwezekano wa makosa.

3.3 Itifaki ya Kufuatilia Mazingira ya Nyuma Kwa Nguvu

Itifaki mpya imetambuliwa kushughulikia viwango tofauti vya mazingira ya nyuma. Inakadiria kwa nguvu kiwango cha matukio yanayolingana ya mazingira ya nyuma kwa wakati halisi kwa kuchambua vipindi vya muda ambapo hakuna matukio ya kweli yanayotarajiwa (k.m., nje ya dirisha la muda la kurudi linalotarajiwa). Hii inaruhusu mfumo kujikimu kwa mabadiliko ya polepole ya mwanga wa mazingira au uvunjaji wa masafa ya chini bila kudhoofisha ukinzani wake wa ishara za kelele za mfululizo zenye masafa ya juu.

4.1 Utendaji wa Ishara-kwa-Mazingira ya Nyuma

Mfumo huu ulifanikiwa kugundua malengo kwa uwezekano wa kurudi (kutafakari) kwa chini kama -52 dB. Uliendelea kufanya kazi kwa uaminifu hata wakati mtiririko wa fotoni wa mazingira ya nyuma ulikuwa mkubwa zaidi ya daraja tano (mara 100,000) kuliko mtiririko wa ishara. Hii inalingana na uimarishaji wa quantum wa takriban 30 dB katika kipeo cha makosa ikilinganishwa na chanzo bora zaidi cha mwanga cha kawaida kinacholingana chini ya hali sawa, au kupunguzwa kwa mara 17 kwa muda unaohitajika kufikia uwezekano fulani wa chini wa makosa.

4.2 Majaribio ya Uthabiti Dhidi ya Uvunjaji

Mfumo huu ulionyesha usugu dhidi ya uvunjaji wa haraka (mfululizo) na uthabiti dhidi ya uvunjaji wa polepole (kuteleza). Itifaki ya kufuatilia mazingira ya nyuma kwa nguvu iliondoa kwa ufanisi sehemu inayobadilika polepole, na hivyo kuzuia tahadhari za uwongo au ugunduzi uliopotoshwa, huku mlango wa asili wa matukio yanayolingana ukikataa kelele ya mfululizo yenye masafa ya juu.

4.3 Usahihi wa Kupima Umbali

Kupanua mfumo huu kwa kupima umbali kwa nguvu, waandishi walipata eneo la lengo kwa uwazi wa anga wa 11 cm. Uwazi huu ulipunguzwa kimsingi na mtetemo wa wakati wa vigunduzi vya fotoni moja, sio na itifaki ya quantum yenyewe, na hii inaonyesha uwezekano wa uboreshaji kwa vigunduzi bora zaidi.

5.1 Ufahamu Msingi

Hii sio tu onyesho lingine la nyongeza la maabara. Mrozowski na wenzake wamewasilisha somo kuu katika uhandisi wa quantum wa vitendo. Wameepuka mtego wa kufuata faida kamili ya 6 dB ya hali ya Gaussian—lengo ambalo, kama ilivyoelezwa katika kazi kutoka Maabara ya Quantum Photonics ya MIT, bado limejaa utata wa vipimo bora—na badala yake wamejenga mfumo ambao unatumia uhusiano wa wakati wenye nguvu na unaoeleweka vizuri kutoka kwa SPDC inayopigwa kwa CW. Ujanja wa kweli ni mwelekeo wazi kwenye uthabiti dhidi ya uvunjaji, na kusogeza hisia za quantum kutoka kwa "udadisi wa maabara ya kimya" hadi teknolojia inayoshughulikia hali halisi ya kushindwa kwa mifumo ya kawaida.

5.2 Mtiririko wa Mantiki

Mantiki ya makala hii ni ya kulazimisha: (1) Tambua udhaifu mkubwa wa lidar ya kawaida (kelele/uvunjaji). (2) Tumia mbinu ya quantum (fotoni zilizotangazwa) ambayo kimsingi huchuja kelele kupitia matukio yanayolingana. (3) Kubali kikomo cha vitendo (kuteleza kwa polepole kwa mazingira ya nyuma kunaweza kuiga ishara) na vumbua marekebisho ya programu (kufuatilia mazingira ya nyuma kwa nguvu). (4) Thibitisha mfumo uliojumuishwa chini ya hali kali, zinazohusiana na kijeshi (kelele kubwa, ishara duni, uvunjaji wa nguvu). Mtiririko huu wa mwisho-hadi-mwisho wa kutatua matatizo ndio unaotenganisha mfano wa kulazimisha na zoezi la kitaaluma.

5.3 Nguvu na Udhaifu

Nguvu: Usikivu wa -52 dB na ukinzani wa mazingira ya nyuma wa 10⁵:1 ni ushindi wa kiasi unaovutia. Itifaki ya kufuatilia kwa nguvu ni uvumbuzi mzuri, wenye gharama ndogo ambao huimarisha vitendo kwa kiasi kikubwa. Kutumia chanzo cha CW kunarahisisha usanidi ikilinganishwa na mifumo ya mfululizo, na kuboresha utulivu na uwezekano wa kupunguzwa kwa ukubwa.
Udhaifu & Maswali: Uwazi wa 11 cm, ingawa ni mzuri, umepunguzwa na kigunduzi. Hii inabadilikaje kwa umbali? Makala hayasemi chochote kuhusu umbali wa juu wa uendeshaji wa mfumo, kigezo muhimu. Zaidi ya hayo, mwangaza na sifa za wigo wa chanzo cha jozi za fotoni zitaamua kiwango kinachowezekana cha kusasisha na usiri—vipimo muhimu vya utekelezaji. Ulinganisho na "kawaida" umebainishwa vizuri lakini haushughulikii mbinu za hali ya juu za kawaida kama vile kuchuja kwa wakati kinachojikimu au modulisho tata, ambazo ndizo ushindani wa kweli.

5.4 Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa

Kwa wawekezaji na wasimamizi wa Utafiti na Maendeleo: Zingatia hadithi ya ushirikiano na uthabiti, sio tu nambari ya faida ya quantum. Kazi hii inathibitisha kuwa ushawishi wa thamani wa karibu wa lidar ya quantum upo katika mazingira yasiyokubalika. Njia ya maendeleo ya haraka ni wazi: 1) Unganisha vigunduzi vya fotoni moja vya superconducting nanowire (SNSPD) yenye mtetemo mdogo ili kusukuma uwazi chini ya 5 cm. 2) Unda vyanzo vya jozi za fotoni vilivyojumuishwa, vikubwa na vyenye mwangaza, kufuata uongozi wa kampuni kama PsiQuantum na Xanadu katika kompyuta ya quantum ya photonic. 3) Shirikiana na wakandarasi wa ulinzi/anga (k.m., Lockheed Martin's Skunk Works, BAE Systems) kwa ajili ya majaribio ya uwanjani katika hali halisi za uvunjaji na msongamano. Mashindano sio tena juu ya kuthibitisha kanuni kwenye karatasi, bali juu ya kuifanya iwe ngumu kwa ajili ya uwanjani.