پتانسیل تکنولوژی های کوانتومی برای تبدیل طراحی آرایه آنتن

فن آوری های کوانتومی به سرعت در حال پیشرفت هستند و پتانسیل تبدیل بسیاری از زمینه ها، از جمله مخابرات و سیستم های رادار را ارائه می دهند.یک منطقه امیدوار کننده استفاده از اصول کوانتومی برای طراحی آرایه آنتن است، با هدف ایجاد سیستم های ارتباطی کارآمد تر، حساس و سازگار تر.این مقاله بررسی می کند که چگونه مکانیک کوانتومی ویمش؛ از طریق سنجش، محاسبات و ارتباطات و توسعه؛ می تواند بر محدودیت های کلاسیک و باز برای ساخت و ساز و ساز و ساز و معماری آرایه ها غلبه کند.

درک تکنولوژی های کوانتومی

فن آوری های کوانتومی از پدیده های بنیادی مانند ابرposition، درهم تنیده شدن و مداخله کوانتومی برای انجام وظایفی که با سیستم های کلاسیک غیر قابل درک هستند، بهره برداری می کنند.این اصول طیف وسیعی از دستگاه های نوظهور را زیر پا می گذارند:

  • سنسورهای کوانتیوم از سیستم های اتمی یا فوتونیک برای تشخیص میدان های الکترومغناطیسی، دما و فشار با دقت شدید، بسیار بیشتر از محدودیت های کلاسیک استفاده می کنند.
  • کامپیوترهای کوئینوم اطلاعات پردازش با استفاده از کیوبیت ها، الگوریتم هایی را که می توانند مشکلات بهینه سازی را حل کنند (مانند محاسبه وزن پرتوی) به طور چشمگیری سریع تر از روش های کلاسیک پردازش می کنند.
  • ارتباط از هم گسسته و توزیع کلیدی کوانتومی (QKD) برای انتقال اطلاعات با امنیت داخلی در برابر حذف زباله استفاده می کند.
  • تکرار کنندگان طیف وسیعی از توزیع درهم تنیده را گسترش می دهند، که پیوندهای درهم تنیده را بیش از صدها کیلومتر و نیم افزایش می دهد؛ یک فعال کننده حیاتی برای آرایه های آنتن توزیع شده است.

این تکنولوژی ها نه تنها نظری دارند؛ تظاهرات آزمایشگاهی و دستگاه های تجاری اولیه، مزایای ملموسی را نشان می دهند.سازمان هایی مانند -IBM Quantum و محاسبات QuEra در حال پیشرفت محاسبات کوانتومی هستند، در حالی که گروه های تحقیقاتی در MIT و NIST محدودیت های سنجش کوانتومی را فشار می دهند.

چالش های فعلی در طراحی آرایه آنتن

آرایه های آنتن مدرن، مانند رادارهای آرایه فازd و سیستم های ارتباطی MIMO عظیم، در حال حاضر مزایای قابل توجهی در فرمان پرتو، چندکسینگ فضایی و سرکوب مداخله ارائه می دهند.

  • محدودیت های هزینه و هزینه: [FLT 1] آرایه های بزرگ با صدها یا هزاران عنصر به لحاظ فیزیکی بزرگ و گران برای تولید، به ویژه در موج میلیمتری و فرکانس های زیر هرتز.
  • پیچیدگی محاسباتی: ، پرتو سازی زمان واقعی و خنثی سازی سازگار نیاز به حل مشکلات بزرگ بهینه سازی تحت بودجه های تاخیری دقیق، فشار دادن پردازنده های کلاسیک.
  • سانسور و سر و صدا: جذب جوی، سر و صدا حرارتی، و سر و صدای تقویت داخلی نسبت سیگنال به بی صدا (SNR)، محدود کردن محدوده تشخیص و عبور از نفوذ.
  • تداخل و مدیریت حاشیه: حاشیه های ناخواسته باعث مداخله در طیف مشترک؛ کاهش اغلب نیاز به دامنه پیچیده و برش فاز که کاهش بهره وری دیافراگم.
  • قابلیت پیکربندی: بسیاری از آرایه ها برای الگوهای ثابت طراحی شده اند یا نیاز به تنظیمات مکانیکی؛ سازگاری پویا با محیط های در حال تغییر دشوار است.

این چالش ها بیشتر در حال افزایش است زیرا شبکه های ارتباطی به فرکانس های بالاتر (۶G، باند های تراhertz) و به عنوان سیستم های رادار نیاز به وضوح فضایی و حساسیت بیشتری دارند.

تکنولوژی های آنتن کوانتومی-Enhanced

فن آوری های کوانتومی می توانند این چالش ها را از طریق سه مسیر اولیه به کار گیرند: سنجش کوانتومی، درهم تنیده شدن کوانتومی برای انسجام و الگوریتم های کوانتومی برای بهینه سازی هر مسیر، پیشرفت های منحصر به فرد را برای عملکرد آرایه آنتن ارائه می دهد.

سنسور های کوانتومی برای تشخیص سیگنال Ultraprecise

سنسورهای کوانتومی، مانند مراکز نیتروژن- واکسیناسیون (NV) در گیرنده های اتمی الماس و Rydberg، می توانند زمینه های فرکانس رادیویی (RF) را با حساسیت نزدیک به حد کوانتومی تشخیص دهند.

  • کاهش قیمت: آشکارسازهای کوانتومی محدود SNR را با سفارشات اندازه در مقایسه با تقویت کننده های کم ارتفاع معمولی، به ویژه در قدرت سیگنال پایین، بهبود می بخشد.
  • عملیات Wideband: سنسورهای مبتنی بر Atom از DC به THz بدون ساختارهای تکراری کار می کنند، ایده آل برای آرایه های باند گسترده.
  • عوامل فرم مقایسه: سنسورهای اتمی مقیاس چیپ می توانند کوچک و متراکم شوند، کاهش اندازه آرایه و وزن.

گروه های تحقیقاتی، مانند گروه هایی که در NIST قرار دارند، گیرنده های اتم Rydberg را نشان داده اند که به طور مستقیم زمینه الکتریکی سیگنال های تنظیم شده را اندازه گیری می کنند، دور زدن انتهای جبهه آنالوگ سنتی، این سنسورها را می توان به آرایه هایی با فاصله های عنصر کوچکتر از یک طول موج و mdash تنظیم کرد؛ یک نیاز کلیدی برای اتصال بدون سیم در فرکانس های بالا.

ترکیب کوانتومی برای پردازش Coherent

انتپاری اجازه می دهد تا عناصر متعدد آنتن به اشتراک گذاشتن یک حالت کوانتومی، به طور موثر ایجاد یک آرایه مرحله توزیع شده با انسجام فاز که ایمنی به برنامه های زمانی کلاسیک jitter.

  • Secure توزیع دیافراگم: عناصر درهم تنیده در سراسر یک منطقه جغرافیایی گسترده می تواند یک دیافراگم مصنوعی با وضوح زاویه ای پیشرفته ایجاد کند، در حالی که درهم تنیده تضمین می کند که هر گونه تلاش برای رهگیری سیگنال سقوط حالت ویمش؛ ارائه امنیت فیزیکی لایه.
  • پرتوی با رمزگذاری وزنه های پرتوساز به کیوبیت های درهم تنیده و پردازش از طریق مدارهای کوانتومی، آرایه می تواند پرتوهایی را با مراحل کالیبراسیون کمتر و مصرف انرژی پایین تر هدایت کند.
  • بهبود سرکوب مداخله: همبستگی مبتنی بر درهم تنیده می تواند سیگنال های از سر و صدا را از طریق ارتباط کلاسیک نمی تواند جدا کند، به ویژه در محیط های بسیار شلوغ.

تظاهرات تجربی، مانند کسانی که از طریق JPL ، نشان داده اند توزیع درهم تنیده بیش از پیوندهای فیبر گسترش ده ها کیلومتر است که این را به توزیع RF در فضای آزاد باقی می ماند یک چالش، اما پیشرفت در تکرار کنندگان کوانتومی و اصلاحات وعده های نهایی زمینه.

الگوریتم های کوانتومی برای بهینه سازی آرایه

پرتو سازی کلاسیک و کالیبراسیون آرایه شامل بهینه سازی غیرکونکس است که با شمارش عناصر ضعیف است. محاسبات کوانتومی الگوریتم هایی مانند Quantumling، eigensolvers کوانتومی (VQE) و جستجوی مبتنی بر گرور را ارائه می دهد که می تواند پیکربندی وزن بهینه را سریع تر یا با کیفیت بالا پیدا کند:

  • اقتباس از: [ الگوریتم کوانتومی می تواند برش های بهینه را در میلی ثانیه برای آرایه ها با هزاران عنصر، قادر به تنظیم مجدد زمان واقعی در کانال های محو.
  • ] بهینه سازی جهانی: [ روش کوانتومی می تواند از مینیما محلی که بهینه سازی های مبتنی بر گرادیان کلاسیک را به دام می اندازد، بهره برداری از سطوح پایین تر و مستقیم تر.
  • قدرت قرمز: یک co-processor کوانتومی اختصاص یافته به پرتو سازی ممکن است انرژی بسیار کمتری نسبت به یک سوپرکامپیوتر کلاسیک برای همان کار مصرف کند.

استارتاپ هایی مانند Quantinuum و گروه های دانشگاهی در MIT در حال حاضر تست پرتو سازی کوانتومی بهینه شده برای آرایه های کوچک تست هستند، اگرچه رایانه های کوانتومی تحمل کننده سال ها دور هستند، پردازنده های کوانتومی متوسط (NISQ) می توانند مشکلات بهینه سازی متوسط امروز را کنترل کنند، و مزایای نزدیک به مدت را فراهم کنند.

مزایای بالقوه آنتن های کوانتومی-Enhanced

ادغام تکنولوژی های کوانتومی بالا به آرایه های آنتن، طیف وسیعی از مزایای عملی را برای کاربردهای نظامی و تجاری به دست می آورد:

  • افزایش حساسیت و SNR: سنسورهای کوانتومی باعث کاهش نویز حرارتی می شوند، در حالی که پردازش مبتنی بر درهم تنیده افزایش یافته است دامنه تشخیص برای رادار و افزایش میزان داده برای ارتباطات، به ویژه در لینک های ماهواره ای به پیش زمینه.
  • سازگاری بزرگ تر و پیکربندی مجدد زمان واقعی: الگوریتم های کوانتومی پرتوی پویا را فعال می کنند که به مداخله، گردش یا حرکت کاربر بدون مداخله دستی پاسخ می دهد. آرایه می تواند الگوی آن را در میکرو ثانیه ها به وجود آورد.
  • امنیت قابل اعتماد: پیوندهای مبتنی بر درهم تنیده، تشخیص دستکاری ذاتی را فراهم می کند؛ هر تلاش برای حذف ارتباط کوانتومی را مختل می کند و بلافاصله آشکار می شود.این برای شبکه های نظامی و معاملات مالی امن حیاتی است.
  • اندازه، وزن و قدرت (SWaP): سنسورهای اتمی فشرده و تراشه های کوانتومی کارآمد اجازه می دهد تا ادغام متراکم، کاهش ردپای و الزامات خنک کننده در مقایسه با آرایه های کلاسیک با LNA های جداگانه و پرتوهای دیجیتال.
  • مقیاس پذیری فرکانس بالا: سنسورهای کوانتومی به طور طبیعی در موج میلی متری و باندهای ترشتز که در آن الکترونیک کلاسیک ناکارآمد هستند، کار می کنند.این درب را به سیستم های رادار با ولتاژ بالا 6G و زیر هرتز باز می کند.
  • تأخیر پایین تر برای کالیبراسیون آنتن: خود کالیبره با استفاده از سیگنال های مرجع درهم تنیده می تواند زمان لازم برای تراز کردن مراکز فاز، به ویژه در آرایه های توزیع شده بزرگ کاهش یابد.

این مزایا افزایشی ندارند؛ آنها نشان دهنده جهشی در توانایی هستند که می تواند اساساً نحوه طراحی و استقرار سیستم های آنتن را تغییر دهد.

آینده چشم انداز آینده

تحقیقات در آنتن های کوانتومی هنوز در دوران کودکی خود است.پیشرفت ترین تظاهرات شامل آرایه های کوچک (کمتر از 10 عنصر) در محیط های آزمایشگاهی کنترل شده است:

  • حفظ درهم تنیده شدن در مسافت های طولانی در فضای آزاد نیازمند تکرار کوانتومی و جبران اتمسفر است.
  • کامپیوترهای کوانتومی فعلی دارای شمارش و زمان انسجام محدود هستند؛ دستگاه های تحمل خطا که قادر به بهینه سازی آرایه در مقیاس بزرگ هستند در اواسط دهه ۲۰۳۰ انتظار می رود.
  • ادغام سنسورهای اتمی Cryogenic یا لیزر با وسایل الکترونیکی RF معمولی غیر بخار است.

با این وجود، بودجه از آژانس هایی مانند DARPA (به عنوان مثال، برنامه کوانتومی Apertures)، وزارت انرژی ایالات متحده و اتحادیه اروپا و اتحادیه اروپا و اتحادیه اروپا و توسعه دهندگانquo؛ پرچم کوانتومی سرعت پیشرفت در صنعت بین پیمانکاران دفاعی، فروشندگان مخابراتی و استارت آپ های فناوری کوانتومی برای پل زدن شکاف بین فیزیک و مهندسی است.

در دهه آینده، ما احتمالاً شاهد آزمایش های میدانی آرایه های آنتن کلاسیک هیبریدی خواهیم بود که آرایه های فاز کلاسیک را با چند عنصر کوانتومی یا یک پردازنده کوانتومی کوچک ترکیب می کنند.

به عنوان فن آوری های کوانتومی بالغ، آنها وعده می دهند که طراحی آنتن را از زمین تغییر دهند، سیستم های ارتباطی را که کارآمد تر، امن و سازگارتر از هر راه حل فعلی هستند، فعال کنند. کلید همکاری پایدار بین فیزیکدانان کوانتومی، مهندسان آنتن و معماران سیستم برای تبدیل این امکانات نظری به سخت افزار عملی است.