הפוטנציאל של טכנולוגיות קוונטיות כדי להפוך את Antenna Array עיצוב

טכנולוגיות קוונטיות מתקדמות במהירות ומציעות את הפוטנציאל לשנות תחומים רבים, כולל מערכות תקשורת ודארדאר.אזור מבטיח אחד הוא היישום של עקרונות קוונטים לתכנון מערך אנטנה, שמטרתו ליצור מערכות תקשורת יעילות, רגישות והתאמה יותר. מאמר זה חוקר כיצד מכניקת הקוונטים & mdash; באמצעות חישה, מחשוב ותקשורת; ניתן להתגבר על מגבלות קלאסיות ופתוחה שלב חדש עבור גלקסיות וטכנולוגיות מרשימות.

הבנת טכנולוגיות קוונטיות

טכנולוגיות קוונטיות מנצלות תופעות בסיסיות כגון סופרפוזיציה, סבך והתערבות קוונטית לביצוע משימות שאינן ניתנות לתחושה במערכות קלאסיות.עקרונות אלה מדגישים מגוון של מכשירים מתעוררים:

  • (FLT:0) חיישנים קוונטיים (QuantumחיישניםFLT:1) משתמשים במערכות אטומיות או פוטוניקה כדי לזהות שדות אלקטרומגנטיים, טמפרטורה ולחץ עם דיוק קיצוני, הרבה מעבר לגבולות הקלאסיים.
  • (FLT:0)Quantum מחשביםFLT:1) לעבד מידע באמצעות qubits, המאפשר אלגוריתמים שיכולים לפתור בעיות אופטימיזציה (כגון חישוב משקל מזהמים) מהר יותר מבחינה אקספוננציאלית מאשר שיטות קלאסיות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Quantum reventersFLT:1 מרחיב את טווח ההפצה הסבך, המאפשר קישורים מסובכים מעל מאות קילומטרים ו mdash; מאפשר אמצעי חיוני עבור נוסחאות האנטנה מבוזרות.

טכנולוגיות אלה אינן רק תיאורטיות; הפגנות מעבדה והמכשירים המסחריים המוקדמים כבר מציגות יתרונות מוחשיים.ארגונים כמו FLT:0IBM QuantumFLT:1 ו-FLT:2QuEra ComputingFLT:3 מקדמים מחשוב קוונטי, בעוד קבוצות מחקר ב-MIT ו-T דוחפות את הגבולות של חישה קוונטית.

אתגרים נוכחיים בעיצוב Antenna Array

מערך האנטנה המודרני, כגון מכ"מים מערכיים ומערכות תקשורת מסיביות של MIMO, כבר מספק יתרונות משמעותיים בהיגוי קרן דבורים, ריבוי מרחבי ודיכוי התערבות.

  • (ב) ,0) ,המגבלות עלות: FLT:1, ערכים גדולים עם מאות או אלפי אלמנטים הופכים גדולים פיזית ויקרים לייצור, במיוחד בתדרי מילימטר ו sub-THz.
  • מורכבות:0 (Computational Complex:FLT:1) יוצר בזמן אמת וביטול הסתגלות דורש פתרון בעיות אופטימיזציה גדולות תחת תקציבי שקיפות קפדניים, המעבדים הקלאסיים מתחזים.
  • (ב) ⁇ :0) רגישות ורעש: 1FLT:1 קליטת אטמוספירית, רעש תרמי ורעש מגבר פנימי מחלחל ביחס אות-לא-רעש (SNR), הגבלת טווח זיהוי ופסוט.
  • (FLT:0) ניהול וצדיות: FIRLT:1 ; Unwanted Sidelobes לגרום להפרעה בספקטרום משותף; הפחתה לעתים קרובות דורשת אמפליטציה מורכבת וטייפ שלב המפחית את יעילות הצמצם.
  • (FLT:0) תצורה: 1FLT:1 ⁇ רבים נועדו לדפוסים קבועים או דורשים התאמה מכנית; הסתגלות דינמית לשינוי סביבות נותר קשה.

אתגרים אלה גדלים יותר דחופים כאשר רשתות תקשורת נעות לתדרים גבוהים יותר (6G, להקות טרההרץ) וככל שמערכות מכ"ם זקוקות לרזולוציה מרחבית טובה יותר ורגישות.

טכנולוגיות קוונטיות-Enhanced Antenna Technologies

טכנולוגיות קוונטיות יכולות להתמודד עם אתגרים אלה באמצעות שלושה שדרות עיקריות: חישה קוונטית, סבך קוונטי עבור קוהרנטיות, ואלגוריתמים קוונטיים עבור אופטימיזציה.כל שדרה מציעה שיפורים ייחודיים לביצועים של מערך האנטנה.

חיישן קוונטי עבור Ultraprecise Signal Detection

חיישנים קוונטיים, כגון מרכזי חנקן (NV) ביהלומים ו-Ridberg Atom המקלט, יכולים לזהות שדות רדיו- ⁇ (RF) עם רגישות המתקרבת למגבלת הקוונטים.

  • (ב) הפחתה של ⁇ :0) הפחתה של גלאי הקוונטים: 1:1 גלאיים המוגבלים לשפר את SNR על ידי פקודות גודל בהשוואה למגברי רעש נמוכים קונבנציונליים, במיוחד בעוצמה נמוכה.
  • (FLT:0Widebandeur: FLT:1 חיישנים מבוססי אטום פועלים מ DC ל THz ללא מבנים מהדהדים, אידיאלי עבור מגוון רחב של פס.
  • (FLT:0)Compact יוצר גורמים:FLT:1, חיישנים אטומיים בקנה מידה צ'יפ ניתן למזעריים ארוזים צפוף, להפחית את גודל המערך ואת משקל.

קבוצות מחקר, כגון אלה ב-FLT:0 [NISTIRFLT:1], הוכיחו מקלטי ריבדברג אשר מודדים ישירות את השדה החשמלי של אותות מחושים, עקפים חזית אנלוגית מסורתית מסתיימת. חיישנים אלה יכולים להיות מסודרים לערכים עם אלמנט ספאקים קטנים יותר מאשר גל ומדש; דרישה מרכזית עבור גירוי מפלט מפלט מפלט מפלט מפלט גבוה בתדרים.

שילוב קוונטי לעיבוד קוהרנטי

שילוב מאפשר אלמנטים אנטנה מרובים לשתף מדינה קוונטית, ביעילות יצירת מערך מבוזר עם קוהרנטיות שלב כי הוא חסין לתזמון קלאסי Jitter יישומים פוטנציאליים כוללים:

  • (FLT:0) סודיות חילקה את הצמצם: FLT1 אלמנטים מסובכים על פני שטח גיאוגרפי רחב יכול ליצור קצבה סינתטית עם פתרון זוויתי משופר, בעוד הסבך מבטיח כי כל ניסיון ליירט את האות ממוטט את המדינה & mdash; מתן אבטחה פיזית-שכבתית.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) דיכוי הפרעות מוכח: FLT:1 , מתאם מבוסס אנטרבמנט יכול להפריד אותות מרעש בדרכים כי קורלציה קלאסית לא יכולה, במיוחד בסביבות מחוספסות מאוד.

הפגנות ניסיוניות, כגון אלה של FLT:0JPLigFLT:1, הראו התפלגות סבך על קישורים סיבים המשתרעים על פני עשרות קילומטרים.הרחבתה של התפלגות RF על פני שטח חופשי נותרה אתגר, אך התקדמות בחזרים קוונטיים תיקון מבטיח פריסת שדה בסופו של דבר.

המונחים: Array Optimization

beamforming קלאסי ומערך calibration כרוכ אופטימיזציה לא-convex כי בקנה מידה גרוע עם ספירת אלמנט. מחשוב קוונטי מציע אלגוריתמים כגון קוונטי annealing, וריאציות קוונטית eigensolvers (VQE), וחיפוש מבוסס גרובר שיכול למצוא תצורה אופטימלית משקל מהיר יותר או עם איכות גבוהה יותר.

  • (FLT:0) הסתגלות של FLT:1 אלגוריתמים קוונטיים יכולים למקם מחדש את הטיפים האופטימליים במילימטרים עבור מערךים עם אלפי אלמנטים, המאפשרים שחזור בזמן אמת בערוצים.
  • (FLT:0 גלובלי אופטימיזציה:BuildFLT:1) שיטות קוונטיות יכול לברוח מ minima המקומי כי מלכודות אופטימיזציה המבוססים על ⁇ קלאסי, מניב רמות של צד נמוך יותר ובימוי גבוה יותר.
  • (ב) ,0) ,מספק כוח: 1FLT:1 פועל משותף קוונטי המוקדש לדבורה עשוי לצרוך הרבה פחות אנרגיה מאשר מחשב סופר קלאסי מאותה משימה.

סטארטאפים כמו FLT:0 (QuantinuumFreaLT:1) וקבוצות אקדמיות ב-MIT כבר בודקים את beamforming הקוונטים-אופטימי עבור מערךי בדיקה קטנים.למרות שמחשבים קוונטיים לא-סובייקטיביים הם שנים הרחק, מעבדי קוונטיים בינוניים רועשים בינוניים בינוניים בינוניים (NISQ) יכולים להתמודד עם בעיות אופטימיזציה בקנה מידה בינוני כיום, מתן יתרונות לטווח קצר.

יתרונות אפשריים של אנטנות קוונטיות-Enhanced

שילוב טכנולוגיות הקוונטיות לעיל למערך האנטנה מניב מגוון של יתרונות מעשיים עבור יישומים צבאיים ומסחריים:

  • (FLT:0) רגישות מוגברת ו-SNR:BuildFLT:1 חיישנים קוונטיים להפחית רעש תרמי, בעוד עיבוד מבוסס סיבוכים משפר עוד יותר את רווח הקורלציה.זה מרחיב את טווח הגילוי עבור מכ"ם ומגביר את שיעור הנתונים לתקשורת, במיוחד בקישורים של לווייניים אל הקרקע.
  • (FLT:0) הסתגלות גדולה יותר והגדרה בזמן אמת: אלגוריתמים קוונטיים 1FLT:1 מאפשרים אלגוריתמים דינמיים להגיב להפרעה, ג'ינג, או תנועת משתמשים ללא התערבות ידנית.המערך יכול להפוך את התבנית שלו בתוך המיקרו-שניות.
  • (FLT:0) ביטחון מובטח: FLT:1 קישורים מבוססי אנטרבמנט מספקים זיהוי טמפרט טמפר; כל ניסיון מתפתל משבש את הקורלציה הקוונטית והופך מיד לברור.
  • (FLT:0) ,הגודל, המשקל והכוח (SWaP):FLT:1 חיישנים אטומיים קומפקטיים קומפקטיים ומעבדים קוונטיים יעילים מאפשרים שילוב צפוף, הורדת דרישות טביעת הרגל והקירור בהשוואה לערכים קלאסיים עם LNAs נפרדים ו- beamformers דיגיטליים.
  • (FLT:0) קשקשים בתדר גבוה יותר: FLT:1 חיישנים קוונטיים פועלים באופן טבעי בלהקות מילימטר וטרהרנץ שבו אלקטרוניקה קלאסית הם לא יעילים.זה פותח את הדלת לתפוקה גבוהה של מערכות מכ"ם 6G ו sub-THz.
  • (FLT:0) לעקביות של אנטנות:FLT:1 self-calibration באמצעות אותות התייחסות סבוכים יכול להפחית את הזמן הדרוש כדי ליישר מרכזי שלב, במיוחד במערך מבוזר גדול.

היתרונות האלה אינם מצטברים; הם מייצגים קפיצת יכולת שיכולה לשנות באופן יסודי את האופן שבו אנו מעצבים ומפיץים מערכות אנטנה.

תחזית עתיד

המחקר באנטנות הקוונטיות-ננדסיות עדיין בחיתוליו.ההפגנות המתקדמות ביותר כרוכות במערךים קטנים (הספק מ-10 אלמנטים) בסביבות מעבדה מבוקרות.

  • שמירה על סבך על פני מרחקים ארוכים בחלל חופשי דורשת החזרים קוונטיים ותגמול אטמוספירי.
  • מחשבים קוונטיים נוכחיים יש ספירת qubit מוגבלת וזמן קוהרנטיות; מכונות סובלניות מסוגלות אופטימיזציה בקנה מידה גדול של מערך גדול צפויים באמצע 2030s.
  • שילוב של חיישני אטומים מבוכים או לייזר עם אלקטרוניקה RF קונבנציונלי הוא לא טריוויאלי.

עם זאת, מימון מסוכנויות כמו DARPA (למשל, תוכנית הקוונטים Apertures), מחלקת האנרגיה של ארה"ב, והאיחוד האירופי ’ ספינת הדגל הקוונטית היא התקדמות מרחיבה. שותפויות בתעשייה בין קבלנים ביטחוניים, ספקי טלקום, וסטארט-אפים טכנולוגיים קוונטיים נוצרים כדי לגשר על הפער בין פיזיקה והנדסה.

בעשור הבא, סביר להניח שנבדוק ניסויים שדה של מערך אנטנה קוונטית-קלאסית היברידית המשלבת מערךים קלאסיים של שלב עם כמה אלמנטים של חיישן קוונטי או מעבד קטן קוונטי משותף. עד 2040, מערךים קוונטיים לחלוטין יכול להפוך מבצעיים עבור יישומים מיוחדים למטרות מיוחדות כגון תקשורת חלל ואזהרת מכ"ם מוקדמת.

כשטכנולוגיות קוונטיות בוגרות, הן מבטיחות לעצב אנטנה מחדש מן הקרקע, המאפשרות מערכות תקשורת יעילות יותר, בטוחה, והתאמה יותר מכל פתרון נוכחי.המפתח יהיה שיתוף פעולה מתמשך בין פיזיקאים קוונטיים, מהנדסי אנטנה ואדריכלי מערכת להפוך את האפשרויות התיאורטיות האלה לחומרה מעשית.