Quantum Technologies의 잠재력은 안테나 배열 설계를 변형시킵니다.

Quantum 기술은 급속하게 발전하고 통신 및 레이더 시스템을 포함하여 많은 분야를 변형하기 위해 잠재력을 제공합니다. 1개의 유망한 지역은 안테나 배열 디자인에 양자 원리의 신청이고, 더 능률적이고, 과민하고, 적응할 수 있는 커뮤니케이션 체계를 창조하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 문서는 quantum mechanics&mdash를 탐구합니다; 감각, 계산 및 communication&mdash를 통해; 고전적인 한계를 극복하고 단계적인 배열 및 광속 형성 건축을 위한 새로운 시대를 열 수 있습니다.

Quantum Technologies에 대한 이해

Quantum 기술은 초소화, 원각 및 퀀텀 간섭과 같은 기본 현상을 악용하고 고전적인 시스템과 불허하는 작업을 수행하기 위해 기본 현상을 사용합니다. 이러한 원칙은 신흥 장치의 범위를 밑으로합니다.

  • Quantum sensors 전자기 분야, 온도, 압력 등을 감지하는 원자 또는 광합체 시스템을 사용하여 극한 정밀도로, 훨씬 고전적인 한계를 초과합니다.
  • Quantum computers 퀀빗을 사용하여 프로세스 정보, 최적화 문제를 해결 할 수있는 알고리즘을 활성화 (빔 형성 무게 계산과 같은) 고전적 방법보다 신속하게.
  • Quantum communication는 entanglement와 quantum key Distribution(QKD)를 활용하여 eavesdropping에 대한 내장 보안을 제공합니다.
  • Quantum Repeaters는 entanglement Distribution의 범위를 확장하여 수백 킬로미터&mdash의 얽힌 링크를 가능하게 합니다. 분산 안테나 배열의 중요한 수퍼.

이 기술은 이론적일 뿐 아니라; 실험실 시연과 초기 상업 기기는 이미 무형적 이점을 보여줍니다. IBM Quantum과 QuEra Computing]와 같은 조직은 퀀텀 컴퓨팅을 촉진하고, 연구 그룹은 퀀텀 감지의 한계를 밀어. 이러한 기능의 융합은 안테나 조사에 대한 이러한 능력의 결합이다.

현재 안테나 어레이 디자인의 도전

단계 배열 레이더 및 대규모 MIMO 통신 시스템과 같은 현대 안테나 배열은 이미 광속 조타, 공간 다중화 및 간섭 억제에 있는 뜻깊은 이익을 제공합니다. 그러나, 그들은 몇몇 기본적인 한계를 직면합니다:

  • 크기와 비용 제약:] 수백 가지 요소의 큰 배열은 특히 밀리미터 웨이브 및 하위 THz 주파수에서 제조하는 물리적으로 크고 비싸게됩니다.
  • Computational complexity: 실시간 빔 성형 및 적응형 무해는 엄격한 대기 예산에 따라 큰 최적화 문제를 해결해야, 고전적인 프로세서를 변형.
  • Sensitivity and noise:] 대기 흡수, 열 잡음, 내부 증폭기 소음은 신호 대역 비율 (SNR), 제한 탐지 범위 및 처리량을 평가합니다.
  • Interference and sidelobe management: Unwanted sidelobes가 공유 스펙트럼에 방해를 일으키는 원인이 되지; 완화 종종 복잡한 진폭 및 단계 가늘게 하는 가늠구멍 효율성을 감소.
  • Reconfigurability: 많은 배열은 고정 패턴을 위해 설계되거나 기계적 조정을 요구; 환경 변경에 동적 적응은 어렵다.

이러한 과제는 통신망으로 더 많은 압박을 더 높고 주파수 (6G, terahertz 밴드)와 레이더 시스템으로 더 나은 공간 해상도와 감도를 필요로합니다.

Quantum-Enhanced 안테나 기술

Quantum 기술은 3개의 1 차적인 평균을 통해 이 도전을 해결할 수 있습니다: 퀀텀 감지, 공동창업자를 위한 퀀텀 entanglement, 최적화를 위한 퀀텀 알고리즘. 각 평균은 안테나 배열 성과에 독특한 개선을 제안합니다.

Ultraprecise 신호 감지용 Quantum 센서

퀀텀 센서는 다이아몬드와 렉싱버그 원자 수신기의 질소 공명 (NV) 센터와 같은 퀀텀 제한에 대한 감도가 있는 무선 주파수 (RF) 필드를 감지할 수 있습니다. 안테나 어레이를 위해, 요소로 퀀텀 센서를 통합:

  • 노이즈 감소: Quantum-limited Detectors는 기존 저소음 증폭기와 비교하여 크기의 순서로 SNR를 개선하며, 특히 저소음 신호 전력에.
  • Wideband operation: Atom-based sensors는 DC에서 THz까지, 광대역 배열에 대하 이상적 공명 구조 없이 작동한다.
  • 컴팩트 폼 팩터:] Chip-scale atomic 센서는 소형화되고 밀도가 높은 포장, 배열 크기와 무게를 줄입니다.

NIST]의 그와 같은 연구 그룹은, 직접 변조 신호의 전기장을 측정하는 Rydberg 원자 수신기를, 전통적인 아날로그 정면을 우회하는. 이 감지기는 파장 &mdash 보다는 더 작은 성분 간격으로 배열될 수 있습니다; 높은 주파수에 grating-lobe 자유로운 광선을 위한 중요한 필요조건.

Quantum Coherent 공정

Entanglement는 퀀텀 상태를 공유하는 여러 안테나 요소를 허용하며, 효과적으로 고전적인 타이밍 지터에 면역성이 있는 단계 일관성과 분산 된 단계 배열을 만듭니다. 잠재적 인 응용 프로그램은 다음과 같습니다.

  • Secure 분산 된 가늠구멍:] 넓은 지리적 영역의 원소는 강화 된 각도 해상도와 합성 가늠구멍을 형성 할 수 있으며, entanglement는 신호가 state&mdash를 가로지르는 시도를 보장하며 물리적 층 보안을 제공합니다.
  • Quantum beamforming:] quantum circuits를 통해 entangled qubits로 광선을 밝히고 처리하여, 배열은 몇몇 구경측정 단계 및 더 낮은 전력 소비를 가진 steer 광속을 할 수 있습니다.
  • 초기절차:] 효소절차는 고전적 상관관계가 없는 방식으로 소음으로부터 신호를 분리할 수 있습니다. 특히, 특히 고형적 환경에서도

실험적인 시연은 ]JPL에 의해 그와 같은 실험적인 시연은 섬유 연결에 대한 entanglement 분포를 10 킬로미터 확장했습니다. 이 확장은 자유로운 공간에 RF 배급에 도전을 유지하지만, quantum 반복기 및 오류 교정은 정기적인 현장 배포를 약속합니다.

Quantum Algorithms for Array 최적화

퀀텀 어닐링, 변이 퀀텀 eigensolvers (VQE), 그리고 더 높은 품질로 최적의 무게 구성을 더 빠르고 찾을 수 있는 Grover 기반 검색과 같은 다양한 빔 형성 및 배열 교정이 비컨벡스 최적화를 포함합니다. 특정 장점:

  • Faster 적응: Quantum 알고리즘은 수천 개의 요소와 배열을 위한 밀리 초에 최적의 테이퍼를 재구성할 수 있으며, 실시간 재구성 채널을 활성화할 수 있습니다.
  • GlobalOptimize: Quantum 메소드는 클래식한 글래들런 기반 최적화자를 덫을 놓고, 낮은 sidelobe 레벨과 더 높은 지향성을 쌓아낼 수 있는 로컬 minima를 탈출할 수 있습니다.
  • 전원: 빔성형에 적합한 양자 코스는 동일한 작업에 대한 고전 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 적은 에너지를 소비 할 수 있습니다.

Quantinuum과 MIT의 학술 그룹은 이미 작은 테스트 배열에 대한 퀀텀 최적화 빔 형성을 테스트하고 있습니다. 잘못된 관용 퀀텀 컴퓨터가 몇 년 동안, noisy 중간 규모 퀀텀 (NISQ) 프로세서는 중간 규모의 최적화 문제를 오늘 처리 할 수 있습니다, 가까운 혜택 제공.

Quantum-Enhanced Antennas의 잠재적 이점

안테나 배열에 위 양 기술 통합은 군과 상업적인 신청을 위한 실제적인 이익의 범위를 산출합니다:

  • Increased 감도 및 SNR: Quantum 센서는 열소성을 감소시키고, 더 이상 상관관계를 개선하면서 상관관계를 향상시킨다. 이 는 통신의 레이더에 대한 탐지 범위를 확장하고 위성에 지상 링크에서 특히 통신의 데이터 속도 증가.
  • 더 큰 적응성 및 실시간 재구성: Quantum 알고리즘은 수동 개입 없이 방해, 움직이지 않게 하는, 또는 사용자 동의에 반응하는 동적 빔 형성을 가능하게 합니다. 배열은 microseconds 내의 본을 변형할 수 있습니다.
  • Enhanced security: Entanglement-based link provide inherent tamper detection; 어떤 eavesdropping 시도는 퀀텀 상관관계를 혼란시키고 즉시 명백하게 됩니다. 이것은 군사 네트워크와 보안 금융 거래를 위해 중요합니다.
  • 개량, 무게, 전력(SWaP):] 컴팩트 원자 센서 및 효율적인 퀀텀 코스는 별도의 LNA 및 디지털 빔폼을 가진 클래식 어레이와 비교하여 풋프린트 및 냉각 요구 사항을 낮추는 데센스 통합을 허용한다.
  • 고주파수 확장성: Quantum 센서는 밀리미터 웨이브와 테라르츠 밴드에서 자연적으로 작동하며 클래식 전자가 효율적입니다. 이 문을 열면 높은 처리량 6G 및 서브-THz 레이더 시스템입니다.
  • 안테나 교정에 대한 낮은 지연 시간:] entangled 참조 신호를 사용하여 자기 교정은 특히 큰 분산 배열에서 단계 센터를 정렬하는 데 필요한 시간을 줄일 수 있습니다.

이러한 장점은 증가하지 않습니다. 그들은 기본적으로 우리가 안테나 시스템을 설계하고 배치 할 수있는 기능을 통해 도약을 나타냅니다.

미래 전망

퀀텀-엔한 안테나의 연구는 여전히 공감에 있습니다. 가장 진보 된 데모는 통제 된 실험실 환경에서 작은 배열 ( 10 요소 이상)을 포함합니다. 중요성 공학 과제는 남아 있습니다.

  • 무료 공간에서 장거리에 대한 entanglement 유지는 quantum 반복기와 대기 보상을 필요로한다.
  • 현재 퀀텀 컴퓨터에는 제한적인 쿼빗 카운트와 일관성 시간이 있습니다. 대규모 어레이 최적화가 가능한 결함 구조 기계는 중간 2030s에서 예상됩니다.
  • 기존의 RF 전자제품과의 cryogenic 또는 laser-cooled 원자 센서의 통합은 비극성입니다.

DARPA (예 : Quantum 가늠구멍 프로그램), 미국 에너지 부서 및 유럽 연합 및 했음;s Quantum Flagship은 진도가 가속화됩니다. 방어 계약자, 통신 공급 업체 및 quantum 기술 시작과 관련하여 산업 파트너십은 물리 및 공학 사이의 격차를 교량으로 형성됩니다.

향후 10년 안에, 우리는 몇몇 양자 센서 요소 또는 작은 양자 공동 프로세서를 가진 고전적인 단계 배열을 섞는 잡종 양자 종류 안테나 배열의 분야 예심을 볼 것입니다. 2040년까지, 완전히 양자 고유 배열은 공간 커뮤니케이션과 조기 경고 레이다와 같은 특별한 목적 신청을 위해 가동될 수 있었습니다.

퀀텀 기술 성숙으로, 그들은 지상에서 안테나 디자인을 재 형성하기 위해 약속, 어떤 현재 해결책 보다는 능률, 안전 및 적응할 수 있는 커뮤니케이션 체계를 가능하게 합니다. 열쇠는 quantum 물리학자, 안테나 엔지니어 및 체계 건축가 사이 지속될 협동자 사이에서 실제적인 기계설비로 이 이론적인 가능성을 돌기 위하여 협력일 것입니다.