Andi Hektor, Kristjan Kannike
Kindlasti oled tähele pannud, et uudistest jääb järjest rohkem kõrva tuttavaid sõnu, mille ette on lisatud osis „kvant-„. Meelde tulevad näiteks „kvantarvutid“, „kvantkommunikatsioon“, „kvantloogika“ või „kvantsensorid“. Loomulikult, sõna „kvant” tähendab seal seda, et neil juhtudel rakendatakse arvutamiseks, sidepidamiseks või millegi detekteerimiseks mikromaailmas kehtivaid seaduspärasusi, mida füüsikud kutsuvad kvantfüüsikaks. Kvantfüüsika maailm on meile, suurte asjade maailma elanikele, üsna harjumatu ja ebamäärane. Näiteks elektroni võib mingist kohast üles leida ainult teatud tõenäosusega, ent see, kust ta mõõtmisel leitakse, on olemuslikult juhuslik.
Seekord võtame vaatluse alla ühe uuema ja seega veel vähe käsitletud ulmelise tehnoloogia, nimelt kvantadari. Klassikaline radar on aparaat, mis saadab välja tugevaid lühikesi raadiokiirguse impulsse, mis siis levivad õhus ja peegelduvad tagasi näiteks ülelendavalt lennukilt. Mõõtes impulsi väljasaatmise ja tagasipeegeldunud raadiokiirguse saabumise aja vahet, on võimalik üsna täpselt hinnata lennuki kaugust. Kui raadiokiirgus on suunatud kitsa vihuna, siis saab võrdlemisi täpselt määrata ka lennuki asukohta taevas.
Radarid töötavad enamasti sarnastel raadiosagedustel nagu lühilaineraadio, mobiiltelefonid ja traadita internet. Radari lähedane sugulane on meditsiinis laialt kasutatud ultraheliseade, kus patsiendi sisemusest tekitatakse pilt samamoodi kui radariga, aga kasutades kõrgsageduslikku ultraheli. Looduses on meie sõbrad delfiinid, vaalad ja nahkhiired leidnud oma viisi heli peegeldust ära kasutada, et orienteeruda ja saaki püüda.
Kuna radaril on sõjanduses väga tähtis otstarve vaenulike lennukite, laevade ja rakettide tuvastamisel, on loomuikult välja mõeldud ka viisid, kuidas radareid segada. Radarit on võimalik segadusse ajada, kui tekitada selle lähedal sarnaseid raadiokiirguse impulsse, nagu ta ise tekitab. Siis ei saa radar enam aru, mis on impulsi kaja ja mis on segaja impulss. Muide, nii tegutsevad teatud ööliblikad, kes piiksudes häälitsevad üsna nahkhiire moodi ja ajavad nõnda nahkhiired segadusse. Loodus on juba ammu rakendanud sama võtet, mis on kasutusel sõjanduses.
Aastatel 1935–1942 loodi Suurbritannias maailma esimene suurem radarisüsteem Chain Home, mille eesmärk oli tuvastada Saksa ründelennukid piisavalt vara. Sellised radarisüsteemid katsid ära peaaegu kogu saare lõuna- ja idaranniku. IMPERIAL WAR MUSEUMS / WIKIPEDIA
Kvantradar on aga seade, mis kasutab ühte kvantnähtust, kvantpõimitust, et selliste segajatega hakkama saada. On arusaadav, et selline tehnoloogia pakub huvi kaitsevaldkonnas. Aga mitte ainult, sest kvantradarilaadsed süsteemid võiks aidata ka meditsiini ja muid valdkondi, kus väga mürarikkast keskkonnast on vaja kätte saada just need õiged tagasipeegeldunud impulsid.
Et mõista kvantradarit, tuleb kiirelt meelde tuletada, mis nähtus on kvantpõimitus. Kvantpõimitus on tugev (kvant)seos kahe osakese vahel, mis säilib ka siis, kui osakesed kaugele lahku viia. Jälle mängib rolli kvantmehaanika tõenäosuslikkus: alguses pole osakeste omadused – näiteks footonite polarisatsioon – üheselt määratud. Ent kui ühe osakese olek ära mõõta, on teise olek kohe teada: füüsik Albert Einstein kutsus seda „tontlikuks kaugmõjuks“. Põimituse abil ei saa anda edasi informatsiooni, kuna mõõtmistulemus on juhuslik (see oleks vastuolus relatiivsusteooria põhitõega, et miski ei saa liikuda valgusest kiiremini). Kuid põimitus on ikkagi tugevam kui klassikalise füüsikaga määratud seosed.
Reaalses maailmas aga ei ole osakesed omaette isoleeritult, vaid vastastikmõjus mürarikka keskkonnaga, mis kipub põimitust ära rikkuma. Ometi näeme kohe, et algsest põimitusest võib kasu olla ka siis, kui see rikutakse, kuid teatud seos osakeste vahel on veel alles. Kvantradarist välja saadetava raadiokiire iga footon on põimitud teise, jõudeolekus footoniga, mis jääb radari juurde. Meeldetuletus: raadiokiirgus, nagu ka soojus-, valgus-, röntgeni- ja gammakiirgus, koosneb footonitest, lihtsalt nende energia on erinev. Signaalis olevad footonid kas peegelduvad objektilt ja tulevad radarisse tagasi või lähevad kaduma. Signaali levik mürarikkas keskkonnas ja peegeldumine objektilt rikuvad kvantpõimitust. Kuid tagasipeegelduva signaali ja jõudefootoni vahele jäävad ikkagi tugevamad seosed kui kahe klassikalises raadiolaines oleva footoni vahele, mis pole kvantpõimitud. Tänu sellele saab peegeldunud footonit eristada kõigist teistest footonitest, mida detektor vastu võtab. Piltlikult öeldes on igal peegeldunud signaalfootonil küljes silt, mis eristab teda kõigist keskkonnast pärit footonitest. Vastane võib üritada radarit segada, edastades omi signaale samal lainepikkusel. Aga kuna vastane ei tea, mil viisil footonid olid põimitud, ei saa ta erinevalt klassikalisest radarist kvantradarit efektiivselt segada.
Teoreetiliselt võib kvantradari tundlikkus ületada klassikalise radari oma kuni 6 dB võrra: ta võib teha kindlaks signaali, mille võimsus on umbes neli korda nõrgem, kui suudab tuvastada tavaline radar.
Vasakpoolsel pildil saadab radar välja lühikese raadiolaineimpulsi ja siis mõõdab selle tagasipeegeldumist lennukilt. Võrreldes tagasipeegelduse saabumise aega algse impulsi ajaga ja arvestades, et raadiokiirgus liigub valguse kiirusega, saab välja arvutada lennuki kauguse radarist. Parempoolsel pildil tekitatakse kvantradarit kasutades kaks kvantpõimitud raadioimpulssi, milles üks saadetakse radari kaudu välja ja teist hoitakse kohapeal radari juures. Kui nüüd peegeldunud impulssi võrrelda „jõude seisnud“ impulsiga, siis on võimalik kindlaks teha, kas tegu on algse põimitud impulsiga või hoopis vaenlase lennuki tekitatud segava raadioimpulsiga. Tegelikkuses on väga keeruline hoida põimitud kvantolekut piisavalt kaua segamatuna keskkonna mõjudest. Senised katsed võimaldavadki selle impulssi hoida üksnes väga lühikese aja jooksul, mis seab radari efektiivsele tööpiirkonnale mõnemeetrise piirangu. Kuid ka see tehnoloogiavaldkond areneb üsna kiiresti. Joonis: HORISONT
Üllataval kombel ei või kvantradari kasutatavust piirata mitte signaalile mõjuva müra, vaid jõude seisva kiire hoidmine. Jõudekiire kvantolek ei tohi enne muutuda, kui lennukilt peegeldunud radarikiir vastuvõtjasse tagasi jõuab. See tähendab, et radaril peab olema töökindel kvantmälu. Ent on raske hoida footonit piisavalt kaua nii, et selle kvantmälu kvantolek ei muutuks. Seetõttu on praegu kvantradari töökaugus piiratud meetritega, mitte kilomeetritega. Siiski, kvantmälusüsteemide arenedes loodavad füüsikud sellele probleemile lahenduse leida.
Isegi sel juhul, kui kvantradar jääb vaid unistuseks, võib üks teine samalaadi rakendus osutuda väga kasulikuks. Kui raadioloainete asemel kasutada valgust, siis kutsutakse süsteemi kvantvalgustamiseks. Kvantvalgustus võiks olla tarvilik näiteks meditsiinis, sest läbivalgustusseadmete suurus ongi mõni meeter.
Kvantvalgustuse idee esitasid aastal 2008 Ameerika kvantinformatsiooniteadlane Seth Lloyd ja tema kaastöötajad. Kvantradari mõtte patentis Ameerika lennundus- ja kaitsetööstusettevõte Lockheed Martin 2005. aastal. Esimene konkreetne skeem, mis põhineb Seth Lloydi kvantvalgustusel, esitati 2015. aastal.
Tundub, et kvantradarile võib uue elu anda idee, millele tuli Los Alamoses töötav Diego Dalvit. Üksikute põimitud footonipaaride asemel võib kasutada nn sageduskammi, mis on valgusimpulss, mille spektril on ühesuguste vahedega palju jooni. Sel juhul ei pea peegeldunud signaali üldse kinni püüdma. Tänu kvantpõimitusele piisab pärast peegeldumist sellest, kui mõõdame ära peegeldunud signaali paarilise. Kuigi paariline ei ole objektiga kokku puutunud, tekib selle mõõtmisel tänu põimitusele ikkagi objekti kujutis! Teoreetiliselt võiks sageduskamme kasutades võimaldada kvantradaril toimida sadade kilomeetrite kaugusele.
Isegi kui kvantradar teoks ei saa, on ta oluline uute ideede inspireerimisel. Enamasti rikub keskkond kvantpõimituse ära, aga kvantradari idee näitab, et algsest põimitusest siiski säilib veidi lisainfot, millest on kasu, eristamaks signaali taustamürast. Sellest tähelepanekust on näiteks saadud ideid uutsete krüptograafiaskeemide jaoks, mis suudavad võimaldada paremat turvalist sidet.
Andi Hektor (1975) on ettevõtte mu-ray.tech kaasasutaja ja tegevjuht ning keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi külalisteadur, kelle tegevuse põhisuund on müüontehnoloogiate rakendused.
Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.
Artikkel ilmus Horisondi 4/2025 numbris.