Le radar quantique est sur le… hum… radar depuis un moment maintenant. Malheureusement, les résultats théoriques et pratiques de nos explorations du concept ont été décevants. Mais avant d’en venir aux déceptions, permettez-moi de donner à tous les passionnés de radar une raison d’espérer. Un nouvel article démontre que, dans des conditions de faibles rapports signal/bruit (à la limite de la plage classique du radar), l’utilisation de technologies quantiques peut offrir un très amélioration significative de la précision.
Radar quantique ?
Le radar, dans sa forme la plus simple, consiste à envoyer des impulsions de rayonnement qui se réfléchissent sur un objet. Le signal réfléchi est détecté et le temps de vol est mesuré. Le temps de vol est ensuite traduit en distance, tandis que la direction vers laquelle l’antenne radar était pointée lorsqu’elle a capté la réflexion nous indique la direction.
Ce qui est horrible avec le radar, c’est que le signal diminue très rapidement, comme la quatrième puissance de la distance. C’est parce que la puissance du rayonnement que nous envoyons diminue comme le carré de la distance entre l’émetteur et l’objet. Et puis il retombe comme le carré de la plage après avoir été réfléchi et doit retourner au récepteur. Vous vous faites écraser deux fois par la règle du carré inverse.
Permettez-moi de concrétiser cela avec une estimation très approximative : un radar avec un émetteur de 1 kW et une antenne avec un gain de 10 devra pouvoir détecter quelques nW (10-9 W) de puissance reçue pour voir un 1 m2 objet à 5 km.
Un radar quantique utilise l’intrication quantique pour augmenter la sensibilité du récepteur. Pour faire fonctionner le radar quantique, nous n’envoyons plus tous nos photons à la recherche d’objets. Au lieu de cela, nous n’envoyons que la moitié d’une paire de photons enchevêtrés pour se refléter sur les objets ; l’autre moitié est conservée chez le récepteur. Lorsque le photon envoyé revient, il correspond plus parfaitement à son partenaire que tout autre photon qui pourrait être détecté par le récepteur. Nous pouvons détecter ces correspondances, appelées corrélations, avec une grande sensibilité.
En termes d’ingénierie micro-ondes, pensez-y comme meilleur que le meilleur filtre à bande étroite possible. En d’autres termes, un radar quantique n’augmente pas le niveau absolu du signal, mais il augmente votre certitude de distinguer le signal du bruit.
Réveille-moi quand ça devient intéressant
À première vue, cela semble excitant. Les premiers calculs ont montré que l’enchevêtrement devrait fournir un facteur d’amélioration de la certitude de 2 à 4 fois. Bien, mais ne vaut probablement pas les complications supplémentaires liées au travail avec des photons intriqués lorsqu’il s’agit d’applications pratiques. Pire encore, les premières expériences avec le radar quantique utilisaient toutes des fréquences optiques plutôt que des fréquences micro-ondes, et elles fonctionnaient sur des distances si courtes que la perte de signal était minime. Même le jour le plus lumineux, le bruit aux fréquences optiques est de plusieurs ordres de grandeur inférieur à celui des micro-ondes.
Ainsi, les applications pratiques, qui nécessiteraient l’utilisation de fréquences micro-ondes, impliquent des pertes énormes. Le ronflement des ingénieurs radar indifférents était assourdissant.
Pour rendre le radar quantique à nouveau intéressant, les théoriciens ont approfondi la théorie et la pratique du radar. Il s’avère que la précision de la portée (la qualité de votre estimation moyenne de la portée) et la résolution de la portée (la confiance avec laquelle vous pouvez séparer la portée de deux objets) ne sont pas tout à fait les meilleures. La précision de la portée devient vraiment mauvaise lorsque le rapport entre le signal renvoyé et le bruit de fond est inférieur à un certain seuil. Et c’est à ce stade que l’intrication quantique peut apparemment fournir un gros avantage.
Étirez cette impulsion
Pour améliorer la précision, vous devez étirer et gazouiller le pouls. Essentiellement, vous balayez la fréquence radar de haute à basse pendant l’impulsion (ce type d’impulsion est également utilisé dans certains radars classiques). Cela étire chaque photon dans le temps afin que sa fréquence soit bien mieux définie. Cela permet également de mieux définir son partenaire intriqué afin qu’ils puissent être détectés conjointement avec une plus grande certitude.
À première vue, cela réduit la précision. Un photon individuel peut être détecté à tout moment sur toute la durée de l’impulsion, qui est désormais très longue. Mais l’impulsion micro-onde se compose de milliards de photons par fréquence, il y a donc beaucoup, beaucoup de photons individuels à détecter. La variation statistique de leur temps de détection se rétrécit avec le nombre de photons, vous permettant de générer un temps de vol précis.
Cela montre vraiment sa puissance lorsque les niveaux de signal sur bruit tombent en dessous du seuil classique pour une détection précise. Lorsque le signal est quatre fois supérieur au bruit, le radar quantique est environ 500 fois plus précis que le radar classique (en supposant la même puissance d’émission). Même lorsque le rapport signal sur bruit est de un (à peu près quand j’abandonnerais), le radar quantique reste trois à quatre fois plus précis que le radar classique.
À quel point vos impulsions sont-elles étirées ?
L’avantage du radar quantique dépend vraiment de l’allongement de l’impulsion. Les chercheurs le démontrent en calculant l’avantage quantique d’un radar en bande W localisant un petit drone (une section radar de 1 cm2). A 100 m, le drone est détecté par une impulsion de 10 ms d’un radar quantique avec environ 60 fois plus de précision qu’avec un radar classique. Mais la fenêtre d’utilité est limitée ; lorsque le drone est à un kilomètre de distance, le même avantage n’est obtenu que si l’impulsion radar dure environ deux minutes, temps écoulé depuis le drone.
Le plus gros problème est, malheureusement, l’aspect pratique. Pour que cela fonctionne, des sources de haute puissance de photons micro-ondes enchevêtrés au maximum sont nécessaires. À l’heure actuelle, les meilleures sources de photons intriqués fonctionnent à des fréquences optiques et émettent jusqu’à un million de photons par seconde, ce qui correspond à une puissance d’environ un fW (10-15 W). Il y a quelques ordres de grandeur entre où nous en sommes maintenant et où nous devons être.
Mais, avant de devenir trop déprimé, notez que les sources micro-ondes sont en fait plus faciles à construire (et ont une histoire d’ingénierie plus longue) que les sources optiques. Et les scientifiques ont déjà démontré des sources de micro-ondes enchevêtrées. Alors peut-être là est un avenir ici…
Lettres d’examen physique, 2022, DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.010501 (À propos des DOI)