رادار كمومي
الرادار الكمومي Quantum radar، هي تقنية الاستشعار عن بعد الناشئة التي تعتمد على الترابطات الكمومية المدخلة (وخاصة التشابك الكمي) والكشوفات الكمومية المخرجة. تم تطوير هذه التقنية بنجاح، وستمكن نظام الرادار من التقاط الإشارة الخاصة به حتى في وجود ضوضاء في الخلفية. سيسمح هذا بالكشف عن الطائرات الشبح، تصفية محاولات التشويش المتداولة، والعمل في المناطق التي ترتفع فيها الضوضاء في الخلفية، (على سبيل المثال، بسبب أجهزة التشويش). تم اقتراح التصميم العملي الأول للرادار الكمومي في عام 2015 من قبل فريق دولي[1][2] وهو يعتمد على پروتوكول الإضاءة الكمومية المموهة.[3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
المفهوم
يستهلك هذا الردار طاقة منخفضة لدرجة أنه يمكنه التخفي في الضجيج الخلفي، مما يجعله مناسباً لتطبيقات التكنولوجيا الحيوية والأمنية. من فوائد الثورة الكمومية أنها قدمت لنا أساليب جديدة لإستشعار العالم من حولنا. وتقوم الفكرة العامة علي إستخدام الخواص الفريدة الميكانيكا الكمومية لإجراء القياسات أو إنتاج الصور بشكل لا يمكن تحقيقه بطرق أخري.
يتم تحقيق أغلب هذه المهام عن طريق الفوتونات، غير أن الثورة الكمومية كانت محدودة بعض الضئ بالنسبة للطيف الكهرطيسي، حيث إن جميع الإنجازات تقريباً في الحوسبة الكمومية، والتشفير، والنقل الآني، وغير ذلك، كانت تعتمد علي الضوء المرئي أو قرب المرئي. [4]
ولكن هذا سيتغير بفضل عمل شابير برزانجي في المعهد النمساوي للعلوم والتكنولوجيا ومجموعة من زملائه، فقد إستخدم هذا الفريق الموجات الميكروية المتشابكة كموميا لبناء اول رادار كمومي في العالم. يستطيع هذا الجهاز كشف الأجسام عن بعدب إستخدام بضعة فوتونات فقط ، وهو ما يثير فكرة أنظمة الرادار الشبحية التي لا تصدر مقدارا كبيرا من الإشعاع الكهرطيسي.
ويتمتع الجهاز بتركيب بسيط من حيث المبدأ، فقد قام الباحثون بإيجاد أزواج متشابكة من فوتونات الأمواج الميكروية بإستخدام أداة ناقلية فائقة تسمي محول جوسفسون البارامتري. يبث الفوتون الأول - المسمي بفوتون الإشارة - نحو الجسم المعني ، ويتم إلتقاط الإنعكاس.
في هذه الأثناء يخزن الفوتون الثاني - المسمي بالفوتون الحر - وعندما تصل الإشارة المنعكسة، تتداخل مع الفوتون الحر، مما يؤدي إلي أثر يكشف عن المسافة التي قطعها فوتون الإشارة، وهكذا نحصل علي رادار كمومي.
تتصف هذه الطريقة بعض الميزات مقارنة بالردار التقليدي، حيث إن الردار التقليدي يعمل بطريقة مشابهة، ولكنه عاجز عن التعامل مع مستويات الطاقة المنخفضة التي تتضمن عددا صغيرا من فوتونات الأمواج الميكروية، ويعود هذا إلي أن الأجسام الساخنة في البيئة المحيطة تصدر أمواجا ميكروية خاصة بها. وفي بيئة بدرجة حرارة الغرفة، يصل هذا المقدار من الضجيج الخلفي إلي 1.000 فوتون ميكروي في أي لحظة، مما يؤدي إلى إغراق الصدي، ولهذا يعتمد الرادار علي أنظمة بث عالية الإستطاعة.
ولكن الفوتونات المتشابكة تستطيع التغلب علي هذه المشكلة، حيث إن فوتونات الإشارة والفوتونات الحرة متشابهة إلي درجة أن من السهل فلترة أثر الفوتونات الأخري، ولهذا يصبح كشف فوتون الإشارة عند عودته مسألة بسيطة ومباشرة.
وبطبيعة الحال، فإن التشابك الكمومي خاصية حساسة من خصائص العالم الكمومي، وتؤدي عملية الإنعكاس إلي تدميرها. غير أن الترابط بين فوتونات الإشارة والفوتونات الحرة يبقي قويا بما يكفي لتمييزها عن الضجيج الخلفي.
هكذا تمكن برزنجي وزملاؤه من كشف جسم بدرجة حرارة الغرفة ضمن يئة بدرجة حرارة الغرفة بإستخدام عدد قليل من الفوتونات فقط، بطريقة لا يمكن تنفيذها بالفوتونات العادية، ويقولون: "ولدنا الحقول المتشابكة بإستخدام محول جوسفسون البارامتري في درجات حرارة تقدر بالميلي كلڤن ظفنارة جسم بدرجة حارة الغرفة علي بعد متر واحد من أجل إثبات صحة مبدأ عمل هذا ارادار".
وبعد ذلك قارن الباحثون بين رادارهم الكمومي والأنظمة التقليدية التي تعمل بأعداد منخفضة من الفوتونات أيضاً، وتوصولوا إلي أن نظامهم يتفوق عليها في الأداء بفارق كبير، وإن كان ذلك علي مسافات قصيرة نسبياً وحسب. هذا عمل مثير للإهتمام، ويكشف القدرات الكامنة للرادار الكمومي، ويعتبر أول تطبيق للتشابك بين الأمواج الميكروية. ولكنه أيضا يبين إحتمالات تطبيق الإنارة الكمومية بشكل عام.
ومن أهم الميزات لهذا النظام هو إنخفاض مستويات الإشعاع الكهرطيسي المطلوب للعمل. يقول الباحثون: "تبين تجربتنا إحتمالات إستخدام هذا الردار كنظام مسح قليل الأذي من أجل تطبيقات التكنولوجيا الحيوية، مثل تصوير النسج البشرية، والمسح الطيفي الدوراني للبروتينات دون تدميرها". وهناك أيضاً التطبيق الأكثر وضوحاً كرادار شبحي يصعب على الأعداء كشفه ضمن الضجيج الخلفي. ويقول الباحثون إنه سيكون مفيدا كرادار قصير المدي منخفض الإستطاعة للتطبيقات المنية في البيئات المغلقة والمزدحمة.
آخر الدراسات
في 3 سبتمبر 2021، صرح الباحثون إن تكنولوجيا الرادار الكمومي الجديدة التي طورها العلماء الصينيون يمكن أن تكتشف الطائرات الشبحية عن طريق توليد عاصفة كهرومغناطيسية صغيرة.
تشتهر معظم الرادارات بوجود طبق ثابت أو دوار، لكن هذا الرادار الكمي يشبه إلى حد كبير البندقية ويمكنه تسريع الإلكترونات إلى سرعة الضوء تقريباً. يمكن للإلكترونات، بعد أن تمر عبر أنبوب متعرج ضمن حقول مغناطيسية قوية، أن تنتج دوامة من الموجات الدقيقة التي تتحرك إلى الأمام مثل الإعصار. قال البروفيسور ژانگ تشاو وفريقه في كلية هندسة الطيران بـ جامعة تسينگهوا في بحث نُشر في جورنال أوف رادارز، وهو منشور صيني تمت مراجعته من قبل المدققين المراجعين، إن الرادار الكمومي الجديد سيكون أكثر تعقيداً من أي أنظمة رادار سابقة، ولن يكون بناءه مهمة سهلة. وقد أكد الباحثون إن الجسيمات الأساسية في هذه العاصفة الكهرومغناطيسية مصطنعة وسيكون لها بعض الخصائص الغريبة. لكل منها زخم حلزوني لم يتناقص بمرور الزمن أو المسافة، على سبيل المثال.[5]
وفقاً لـ نظرية أينشتاين، هذا غير ممكن. لكن الباحثين أوضحوا السلوك الذي يبدو مستحيلاً لهذه الجسيمات عالية الطاقة بقانون فيزياء الكم، باستخدامها لاكتشاف الأهداف غير المرئية للرادار التقليدي من مسافة بعيدة، حتى في الأحوال الجوية السيئة. لا تستطيع معظم الطائرات الاختباء من الرادار لأنها تعكس الموجات الكهرومغناطيسية. يمكن للطائرة الشبحية أن تجعل موجات الرادار تلغي بعضها البعض باستخدام تصميم خاص مع امتصاص قدر كبير من الإشارة بمادة الطلاء الخاصة بها. على سبيل المثال، يمكن أن تظهر طائرة مقاتلة من طراز F-35 بحجم كرة بيسبول بالنسبة للرادار التقليدي، ويمكن أن تضيع بسهولة في تداخل الموجات في أجوائها.
تم اقتراح الرادار الكمي كحل منذ أكثر من عقد من الزمان. يمكن لبعض التقنيات الكمومية، مثل تشابك الجسيمات دون الذرية، أن تعزز من الناحية النظرية حساسية الرادار.
في عام 2016، قال علماء عسكريون صينيون إنهم يختبرون نموذجاً أولياً للرادار الكمومي. وهذا ما أدى إلى سباق تسلح صغير بتجارب مماثلة سرعان ما ظهرت في بلدان أخرى. لكن العلماء الآخرين كانوا متشككين. قال جفري شاپيرو، أستاذ في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا وأحد علماء الفيزياء الأوائل الذين توصلوا إلى فكرة الرادار الكمومي، "هناك الكثير من المشكلات التي تجعل من الصعب بالنسبة لي تصديق أن هذا النظام سيكون ذا فائدة." في مقابلة مع مجلة ساينس العام الماضي. الميزة الرئيسية لتقنية ژانگ الجديدة هي أنها تعمل في مجال الميكروويف (الموجات الدقيقة).
دراسات سابقة عن الرادار
استخدمت معظم الرادارات الكمومية الأخرى شعاع ليزر يتشتت ويضعف بسرعة أثناء تحركه في الغلاف الجوي، خاصة عبر السحب أو الضباب. ومع ذلك، لا تحتوي الموجات الدقيقة العادية على جسيمات ذات خصائص كمومية يمكن أن تساعد في اكتشاف هدف التخفي. لا يمكن توليد هذه الجسيمات إلا عن طريق مسرع إلكتروني فائق التوصيل ذو تصميم معقد. اختبر ژانگ وزملاؤه نسخة مصغرة من الرادار الكمومي الجديد في مختبر حرم جامعة تسينگهوا. ارتدت الجسيمات الكمومية في العاصفة الكهرومغناطيسية المصطنعة مرة أخرى بكفاءة بعد اصطدامها بجسم خفي، مما زاد من فرصة اكتشافه من 10 إلى 95 في المائة، وفقاً لورقة الباحثين.
لكن النتيجة الأكثر إثارة للدهشة كانت أن حساسية الرادار لم تتأثر حيث زاد الباحثون مسافة الهدف أو جودة المواد الخفية، مما يؤكد تنبؤاً بنظرية الكم. ولم يتسنّ الوصول الى ژانگ للتعليق. وفقاً لوثيقة على موقع الجامعة، كان الفريق يبحث عن شريك صناعي لبناء نموذج أولي بالحجم الكامل للعمل بسرعة 10 گيگا هرتز أو 35 گيگا هرتز، وهما ترددان تستخدمهما أنظمة الرادار العسكرية الحالية. ظهر الرادار الصيني متأخراً نسبياً. وصرح فريق تسينگهوا في الوثيقة المؤرخة في يناير: "لقد كانت في حالة من اللحاق بالركب في الماضي، وكنا أيضاً تحت حصار صارم". "بعد الاستكشاف المستمر، قامت الصين ببناء رادارها المضاد للشبح من النظرية الأساسية إلى التطبيق الناجح في التنفيذ. في الوقت الحاضر، لا يمكن لأي بلد أن يصل إلى مستوانا في هذا المجال. "في هذه المرحلة، تدعم الحكومة بقوة البحث في هذا المجال من خلال سياسات مختلفة."
طورت الصين العديد من أنظمة الرادار الكمومية باستخدام تقنيات مختلفة، وفقاً لدراسة حديثة أجرتها شركة مجموعة تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية (CETC)، وهي شركة مقاولات دفاعية رئيسية مقرها في مدينة چنگدو بمقاطعة سيچوان. ومع ذلك، لا يمكن لهذه الآلات العمل بشكل مستقل. تمت إضافتهم إلى محطات الرادار التقليدية لزيادة قدرتها على اكتشاف طائرات الشبح. قال مهندسو CETC إن الرادار الكمي الذي يعمل في عرض النطاق الترددي للميكروويف قد حظي باهتمام كبير، ولكن في الوقت الحالي كانت هذه الأجهزة بها مشكلات لا تلبي متطلبات المستخدمين العسكريين.
على سبيل المثال، لا يمكن أن يعمل الملف فائق التوصيل في مسرع الإلكترون إلا عند درجة حرارة منخفضة للغاية. لم يرغب معظم مشغلي الرادار في صيانة المبرد، وكانوا قلقين بشأن استقرار المسرع المعقد. لكن الانتقال من التكنولوجيا الكلاسيكية إلى التكنولوجيا الكمومية جارٍ. تعمل بعض فرق البحث في الصين على تطوير تقنية شبح كمومية جديدة للطائرات أو الصواريخ للمساعدة في تجنب الكشف عن طريق الرادارات الكمومية، وفقاً لدراسة CETC.
انظر أيضاً
المصادر
- ^ Barzanjeh, Shabir; Guha, Saikat; Weedbrook, Christian; Vitali, David; Shapiro, Jeffrey H.; Pirandola, Stefano (2015-02-27). "Microwave Quantum Illumination". Physical Review Letters. 114 (8): 080503. arXiv:1503.00189. Bibcode:2015PhRvL.114h0503B. doi:10.1103/PhysRevLett.114.080503. PMID 25768743.
- ^ Ball, Philip (27 February 2015). "Focus: Quantum Mechanics Could Improve Radar". Physical Review Letters. 8: 18.
- ^ Tan, Si-Hui (2008). "Quantum Illumination with Gaussian States". Physical Review Letters. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. doi:10.1103/PhysRevLett.101.253601. PMID 19113706.
- ^ "أول رادار كمومي في العالم: كيف يعمل؟ وما أهم ميزاته؟". إم آي تي تكنولوجي ريڤو. 2019-09-01. Retrieved 2019-09-09.
- ^ Stephen Chen (2021-09-02). "الصين طورت رادار كمومي يكتشف الطائرات الشبح". www.scmp.com.