Seit der deutsche Hochfreqenztechniker Christian Hülsmeyer 1904 erkannte, dass Radiowellen von metallischen Oberflächen reflektiert werden und ihre Echos so auf größere Entfernung detektiert werden können, hat sich das Funktionsprinzip des klassischen Radars nicht verändert. Das Radar – das Wort ist eigentlich ein Akronym aus der englischen Bezeichnung "radio detection and ranging" – wurde kurz vor Ausbruch des Zweiten Weltkriegs intensiv weiterentwickelt. Damit konnten etwa anfliegende Bomber etwa schon mehrere Kilometer vor ihrem eigentlichen Ziel entdeckt werden.
Jetzt wollen österreichische Forscher die in die Jahre gekommene Radar-Technik revolutionieren. Besonders ein Problem, das aktuelle System plagt, wollen die Wissenschaftler um Johannes Fink vom IST Austria in Klosterneuburg, Niederösterreich, ausmerzen: So strahlen etwa warme bzw. heiße Objekte selbst elektromagnetische Wellen aus. Selbiges gilt für die Erdatmosphäre. Gerade bei einer schwachen Signalleistung kann das reflektiere Echo dann oft im sogenannten Hintegrundrauschen untergehen, wodurch etwa Flugzeuge nicht als erkannt werden.
Das am IST entwickelte System nutzt hingegen eine neue Technologie namens Mikrowellen-Quantenillumination und schafft es mithilfe der sogenannten Quantenverschränkung Objekte aus dem Hintergrundrauschen herauszufiltern. Die Quantenverschränkung besagt, dass mehrere verschränkte Teilchen verbunden bleiben und physikalische Eigenschaften teilen. Messergebnisse des einen Teilchens legen auch unmittelbar den Zustand des anderen Teilches fest, wodurch Rückschlüsse auf das gesamte verbunde System möglich werden.
Das klingt kompliziert, doch ist nach Angabe der Forscher "relativ einfach": In ihrem neuen Radar werden, anstatt konventionelle Mikrowellen zu verwenden, zwei Gruppen von Photonen, die als "Signal" und "Idler" bezeichnet werden, miteinander verschränkt. Die Signal-Photonen werden in Richtung des zu detektierenden Objekts ausgesandt, während die Idler-Photonen relativ isoliert, frei von Störungen und Rauschen gemessen werden. Wird das Signal zurückreflektiert, geht die Verschränkung zum Großteil verloren, nur einige wenige gemeinsame Eigenschaften bleiben bestehen. Diese erzeugen aber eine Signatur oder ein Muster bei der Rekombination der beiden Signale, das die Existenz oder Abwesenheit des Zielobjekts beschreibt – unabhängig vom Rauschen in der Umgebung.
"Was wir gezeigt haben, ist der praktische Nachweis eines theoretischen Konzepts für Mikrowellen-Quantenradare", so Erstautor Shabir Barzanjeh. "Mithilfe von Quantenverschränkung, die bei einigen Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,14 °C) erzeugt wurde, konnten wir Objekte mit sehr geringer Reflektivität bei Raumtemperatur detektieren."
Die neuesten Forschungsergebnisse der Fink-Gruppe gelten zwar lediglich als "Proof of Concept“, also als praktischer Nachweis eines theoretischen Konzepts, jedoch sind sich die Forscher sicher, dass ihre neue Detektionsmethode, die in einigen Fällen dem klassischen Radar überlegen sein kann. "Im Laufe der Geschichte waren Proofs of Concept wie unseres oft wichtige Meilensteine auf dem Weg zu zukünftigen technologischen Entwicklungen. Wir sind gespannt auf die Auswirkungen unserer Forschung, insbesondere für Mikrowellensensoren mit kurzer Reichweite", so Barzanjeh.
"Dieses wissenschaftliche Ergebnis war nur möglich durch die enge Zusammenarbeit von theoretischen und experimentelle Physikern die neugierig sind wie man Quantenmechanik nutzen kann um klassische Schranken in der Sensorik zu durchbrechen. Um einen Nutzen aus unserer Forschung zu ziehen, brauchen wir darüber hinaus aber auch die Unterstützung erfahrener Elektroingenieure denn es gibt noch viel zu tun bevor das Konzept in der Praxis angewendet werden kann", so Letztautor und Gruppenleiter Johannes Fink abschließend.
