когерентный сигнал что это
Понятие «Когерентность»
Figure 1: Origin of coherence,
Рисунок 1. когерентные и некогерентные сигналы.
Рисунок 1. когерентные и некогерентные сигналы.
Понятие «Когерентность»
В импульсной радиолокационной системе когерентность описывает фазовые соотношения между переданным и принятым импульсами. Все радиолокационные станции, имеющие систему селекции движущихся целей, разделяются по принципу работы на две группы: когерентные и некогерентные. Является ли радар когерентным или нет, зависит от типа передатчика.
Некогерентная радиолокационная обработка
Некогерентными называются сигналы, фазовую структуру которых нельзя считать закономерной. Примером некогерентного сигнала является пачка радиоимпульсов, если их начальные фазы случайные. Соответствующие осциллограммы изображены на рис.1. В некогерентных радиолокаторах в качестве передатчиков используются вакуумные трубки с самовозбуждением, например, с магнетроном.
Когерентная радиолокационная обработка
Если начальная фаза радиоимпульсов в последовательности постоянная или изменяется по известному закону, то такая последовательность когерентная.
При когерентности этих колебаний разность фаз сигналов, отраженных от неподвижных объектов, с течением времени менятьсяне будет, а разность сигналов, отраженных от движущихся целей, будет функцией времени. Выявляя эти различия с помощью фазового детектора, можно отселектировать полезные сигналы движущихся целей.
Различают несколько видов обеспечения когерентности колебаний:
Квантовая азбука: «Когерентность»
Можно ли потревожить квантовую систему чуть-чуть, а потом вернуть все обратно?
Что такое когерентность? Есть ли какие-то хорошие аналогии из классической физики?
Понятие когерентности впервые возникает именно в классической физике, когда речь идет про колебания. Классическая когерентность — это постоянство относительной фазы между двумя или более волновыми процессами одной частоты. Когда говорят о когерентности всегда вспоминают интерференцию — эффект, при котором суммарный поток энергии от нескольких когерентных источников в некоторой точке пространства получается не непосредственным сложением потоков энергии от каждого источника, а чуть сложнее. Говоря формально, нужно сложить комплексные амплитуды, которые описывают приходящую от каждого источника волну, потом взять модуль полученного комплексного числа и возвести его в квадрат (с некоторым коэффициентом, чтоб с размерностями все было хорошо).
За счет суммирования комплексных амплитуд, а не интенсивностей, в пространственном профиле интенсивности образуется хорошо знакомая интерференционная картинка. Именно отличие результирующей интенсивности волнового процесса от суммы интенсивностей его составляющих и есть признак интерференции.
Теперь к квантовой механике. Одним из основных положений квантовой механики является то, что микроскопические частицы в своем поведении проявляют волновые свойства. Но если в классической физике мы говорили, например, о волнах напряженности электромагнитного поля, то для микроскопических частиц речь идет волнах вероятности, описывающимися комплексными «амплитудами вероятности», известными также под названием «волновая функция». Именно эта идея заложена в уравнение Шрёдингера.
Для волн вероятности, как и любых других волн, также характерны все те же эффекты, связанные с возможностью наложения волн друг на друга. В квантовой механике такое наложение называют (когерентной) суперпозицией. Именно суперпозиция приводит к «квантовым» эффектам дифракции и интерференции.
Квантовые системы могут находиться в когерентной суперпозиции состояний, даже если это суперпозиция (с классической точки зрения) взаимоисключающих состояний. Прямое применение квантовых законов к классическому миру ведет к парадоксальным ситуациям, одна из наиболее известных — кошка Шрёдингера. Да, в ящик Шрёдингер хотел посадить именно кошку (die Katze), а не кота.
Почему когерентность необходима для квантовых вычислений?
Квантовая когерентность позволяет реализовать квантовый параллелизм. Архитектура квантовых компьютеров отличается от архитектуры классический вычислений в нескольких важных аспектах (про это в квантовой азбуке уже говорилось, но напомнить основы будет не лишним).
Система битов заменяется на систему кубитов, которая находится в некотором начальном состоянии. Логические операции выполняются не классическими логическими элементами, а их квантовыми аналогами. Таким образом, в квантовом компьютере через квантовый логический элемент («гейт») может проходить сразу целый набор (когерентная суперпозиция) входных сигналов, дающих суперпозицию соответствующих выходных сигналов. Это и обеспечивает преимущество квантовых вычислений над классическими в некоторых классах задач, например, в задаче факторизации.
Правда тут есть тонкость: после того как квантовый компьютер закончит вычисления, ответы к задачам, которые он решал, будут также находиться в состоянии суперпозиции. Как только мы попытаемся выяснить, каковы эти ответы, мы получим только один, случайно выбранный ответ. Но проделав вычисления много раз, мы можем говорить об ответе с достаточной степенью вероятности.
Квантовый компьютер имеет преимущество над классическим в определенных классах задач. С одной стороны, это ограничивает его применения и свидетельствует о том, что он, возможно, не заменит нам классический персональный компьютер. Хотя, высказывая подобные предположения стоит помнить о том, что на заре компьютерной эры миру приписывали необходимость всего в пяти компьютерах.
Кроме того, класс задач, с которым квантовый компьютер справляется лучше классического, лежит в основе современных представлений о криптографии и информационной безопасности. Так что возможное появление квантового компьютера уже меняет правила в информационных технологиях.
Что такое декогеренция, какие процессы могут к ней приводить?
В классической физике явление декогеренции также существует. Декогеренция — нарушение когерентности — это исчезновение когерентных свойств, связанное с потерей постоянства относительной фазы между источниками, что, например, приводит к разрушению интерференционной картины, о которой мы говорили выше.
В квантовой механике все сложнее и намного интереснее. Декогеренция представляет собой взаимодействие квантовой системы с окружающей средой, при котором квантовое состояние системы неконтролируемо изменяется. С точки зрения теории квантовой информации декогеренции соответствует возникновение запутанности между степенями свободы квантового состояния и степеняими свободы окружения.
При этом в окружение попадает часть информации о квантовом объекте, в то время, как в квантовую систему попадает часть информации об окружении. Декогеренция происходит из-за того, что хаос неопределенности состояния окружения врывается в состояние квантовой системы, изменяя его неконтролируемым образом.
Если рассматривать поведение всех, в том числе и макроскопических, объектов с точки зрения квантовой механики, то декогеренции соответствует возникновение запутанности между конкретным квантовым объектом и окружением. По причине декогеренции мы не видим кошек, одновременно бегущих в противоположных направлениях.
Как определить, что произошла декогеренция?
Декогеренцию можно обнаружить, например, по исчезновению интерференционной картины. Есть такой простой эксперимент «Welcher Weg» («который путь»). В нем, фактически, мы просто посылаем фотоны на светоделитель, через который фотон либо проходит (назовем это «путь 1»), либо отражается (назовем это «путь 2»). Затем с использованием зеркал мы сводим два пути в другой светоделитель, на каждом из выходов которого стоит детектор одиночных фотонов.
К примеру, если в этом эксперименте интерферометр (т.е. соотношение между длинами путей) изначально был настроен на то, что все фотоны выходят строго в одном из двух направлений выходного светоделителя. При декогеренции, т.е. разрушения состояния когеретной суперпозиции между путями, они будут выходить с вероятностью 1/2 в каждом из двух направлений.
Предположим, квантовый компьютер выполнял некую операцию и произошла декогеренция (например, на середине исполнения алгоритма Шора, или каких-либо более простых операций). Каков будет результат вычисления, чем он будет отличаться от вычисления на полностью когерентных кубитах?
Декогеренция будет приводит к искаженному результату вычислений (который, возможно, еще и будет меняться от запуска к запуску) в выходном квантовом регистре. Например, в результате выполнения алгоритма Шора для числа 15 мы будем получать не стабильно 3 и 5, а с какой-то вероятностью 3 и 5, и с какой-то вероятностью всевозможные иные результаты (2 и 4, 3 и 6 и т.д.)
Как бороться с декогеренцией? Можете ли Вы привести какие-то примеры? Сложнее ли сохранять когерентность в многокубитных системах?
Для борьбы с декогеренцией нужен контроль окружения, поскольку даже малейшее воздействие окружения может привести к декогеренции. Таким образом, нужно чтобы изучать квантовые суперпозиции, необходимо тщательно изолировать их от окружающей среды.
Интересно, что последнее обстоятельство породило концепцию квантового сенсора: раз квантовые состояния так чувствительны к внешним воздействиям, значит с их помощью можно проводить сверхчувствительные измерения. Недавно с помощью квантового сенсора на NV-центрах было проведено измерение сигнала от отдельного нейрона.
На практике для борьбы с декогеренцией используются низкие температуры и различные компенсационные схемы для медленно меняющихся флуктуаций в параметрах окружающей среды. Например, ученые научились обращать декогеренцию вспять в экспериментах с «спиновым эхо» (о нем чуть ниже).
В многокубитных системах сложнее балансировать между необходимостью заставить кубиты «слышать» друга друга и «разговаривать» между собой, и при этом «не слышать» окружение. Принципиальных физических ограничений для этого нет, но на пути к решению такой задачи есть ряд технологический затруднений.
Как долго сохраняется когерентность в современных кубитах?
Недавно ученые Мэрилендского университета построили устройство из пяти кубитов на основе ионов иттербия в электромагнитных ловушках (о ней N+1 писал). В частности, в этой работе, являющейся одной из самых свежих, это времена порядка секунд.
Насколько эта величина соответствует требованиям, предъявляемым концепцией квантовых компьютеров?
Нужно чтобы время когерентности превосходило время, за которое происходит вычисление и коррекция ошибок. Таким образом, достижимое время когерентности является достаточным чтобы проводить вычисления. Однако этого пока недостаточно, чтобы сделать полноценный и универсальный квантовый компьютер, поскольку для этого требуется долговременная память и другие элементы, в которых время когерентности должно быть больше. Другой интересный подход состоит в развитии топологических квантовых вычислений, которые являются устойчивыми к ошибкам.
Как связана декогеренция и коллапс волновой функции? Это про одно и то же?
Это «добрый полицейский» и «злой полицейский».
Суть обоих этих процессов состоит в утечке информации о состоянии квантовой системы в окружающую среду. Когда говорят о декогеренции, данный процесс представляется относительно плавным и растянутым во времени — как допрос доброго полицейского. В случае коллапса он подразумевается практически мгновенным и интенсивным — злому полицейскому нужны ответы сразу. И неважно что там с дальше будет с нашей квантовой системой.
Часто говорят о коллапсе волновой функции в момент измерения, хотя фактически измерение есть срежессированная версия декогеренции, при которой роль окружения берет на себя измерительный прибор, транслирующий информацию о квантовой системе на макроскопический уровень (условно говоря, на отклонение стрелки). Можно сказать, также, что коллапс волновой функции представляет собой предельный случай декогеренции.
А можно декогеренцию чуть-чуть сломать, а потом вернуть на место?
Исходя из природы процесса декогеренции понятно, что для обращения декогеренции требуется вернуть информацию, известную окружению о квантовой системе, обратно в квантовую систему, т.е. макроскопическому окружению требуется её «забыть». В общем, это очень сложно, поскольку процесс утечки информации является необратимым из-за того, что степеней свободы, в которых эта информация может храниться чрезвычайно много, и все они быстро обмениваются ей между собой. Поэтому чтобы вернуть все на свои места нужно достаточно хорошо контролировать окружение. Все как у людей, в общем.
Однако принципиально трюк по обращению декогеренции возможен, например, в эксперименте под названием «спиновое эхо». Его суть состоит в том, что время эволюции квантовой системы (например, ядерного спина) было гораздо меньше, чем время характерного изменения внешних условий (магнитного поля). Применяя специальную последовательность операций, можно обращать процесс утечке информации о квантовой системы вспять.
Подготовили материал Владимир Королев и Андрей Коняев
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Когерентный сигнал
Когерентный сигнал описывается функцией, в которой фазовые изменения имеют регулярный характер. Некогерентный сигнал может быть представлен в виде набора составляющих со случайными фазовыми сдвигами. [1]
При суперпозиции когерентного сигнала с быстро флуктуирующим шумовым полем и при близко расположенных частотах ос и о. Распол-гаясь между кривыми а и д, кривая б при увеличении 7 Ды приближается к кривой д, характеризующей распределение Пуассона. [3]
Моделирование преобразования когерентных сигналов в электронном тракте осуществляется звеньями: 1) усилительным, 2) апериодическим, 3) колебательным, 4) дифференцирующим первого рода, 5) дифференцирующим второго рода, 6) запаздывающим, 7) интегрирующим, 8) линейным, 9) реле, 10) нелинейностью ограничение, 11) нелинейностью общего вида. [4]
Радиотракты спетом для передачи когерентных сигналов должны иметь стабильные амплитудно-частотные и фазочастотлыи хар-ки; высокие требования к стабильности этих хар-к, особенно к стабильности фазочастотпых хар-к приводят к значительному усложнению этих трактов. [6]
Радиотракты систем для передачи когерентных сигналов должны иметь стабильные амплитудно-частотные и фазочастотные хар-ки; высокие требования к стабильности этих хар-к, особенно к стабильности фазочастотных хар-к приводят к значительному усложнению этих трактов. [8]
При усилении фазоманипулированных и когерентных сигналов имеет значение величина фазовой стабильности усилителя; у клистрона она близка к 10 на 1 % изменения ускоряющего напряжения и около 1 на 1 % изменения напряжения на управляющей сетке. Для получения необходимой фазовой стабильности в когерентно-импульсных радиолокационных станциях используют модуляторы с неоднородными искусственными линиями, обеспечивающие высокое постоянство напряжения в плоской части импульса. [10]
В электронном тракте моделирование преобразования некогерентных и когерентных сигналов осуществляется одними и теми же операторами. [12]
Когерентность РЛ сигналов, определения.
Так как в результате облучения цели формируется пачка отражённых импульсов, то процесс обнаружения отраженных сигналов слагается из следующих основных операций:
1. селекция (выделение) каждого импульса пачки (внутрипериодная обработка).
Оптимальная внутрипериодная обработка каждого радиоимпульса пачки обеспечивается путём использования полосового фильтра, АЧХ которого комплексно сопряжена со спектром одиночного импульса. В реальных радиолокационных средствах эта задача возлагается на усилитель промежуточной частоты приёмного устройства.
2. накопление (суммирование, интегрирование) энергии импульсов пачки (межпериодная обработка).
Межпериодная обработка радиоимпульсов пачки может быть выполнена как путём обработки сигналов во временной области (описывается интегралом свёртки), осуществляемой с помощью элементов задержки отражённых импульсов, так и путём обработки в частотной области (описывается интегралом Фурье), осуществляемой с помощью фильтров частотной селекции.
3. принятие решения об обнаружении пачки путём сравнения накопленной суммы с некоторым порогом.
Оптимальная когерентная межпериодная обработка радиоимпульсов пачки во временной области предполагает необходимость суммирования их амплитуд при совмещении фазы высокочастотного заполнения. Решение этой задачи встречает принципиальные и технические трудности. Принципиальные трудности возникают вследствие случайных изменений фазы, вызванных фазовой нестабильностью генератора СВЧ, флюктуациями фазы сигналов, отражённых от сложных целей, изменениями фазы при перемещении целей и др. Технические трудности связаны с необходимостью реализации чрезвычайно высоких требований к временной стабильности линий задержки.
Фильтрация в частотной области в интересах когерентной межпериодной обработки импульсов пачки, т. е. в интересах их когерентного накопления, содержит три основные операции:
· преобразование Фурье отражённых сигналов в интересах формирования спектра пачки, т. е. определения его спектральных составляющих;
· формирование выходного сигнала в виде обратного преобразования Фурье.
Когерентный сигнал что это
2.18. Когерентность
В физике, где впервые был применен термин «когерентные колебания», под когерентностью подразумевалось совпадение фаз суммируемых гармонических колебаний. В настоящее время в радиотехнике и теории информации когерентность трактуется более широко: под когерентностью обычно подразумевается связь между фазами сигналов.
Степень когерентности сигналов можно оценивать с помощью сопоставления энергии суммы сигналов с суммой энергий отдельных слагаемых сигналов.
Пусть, например, рассматриваются два сигнала s1(t) и s2(t). Энергия их суммы в общем случае
Первые два интеграла в правой части этого выражения определяют энергии Э1 и Э2 сигналов s1(t) и s2(t), взятых отдельно, а последний определяет «энергию взаимодействия» Э12 между рассматриваемыми сигналами.
В обозначениях, используемых при корреляционном анализе сигналов (см. § 2.16 и 2.17), выражение (2.143) принимает вид
Таким образом, введенная в § 2.16 взаимно-корреляционная функция [см. (2.139)] Bs1s2(τ) при τ = 0 может служить мерой энергии взаимодействия Э12.
Чем большую долю от суммы Э1 + Э2 составляет энергия взаимодействия Э12, тем выше когерентность сигналов s1(t) и s2(t).
В качестве меры когерентности иногда принимают иной критерий, а именно отношение
Рассмотрим в качестве примера два одинаковых сигнала с равными энергиями Э1 = Э2. При сложении этих сигналов «в фазе» суммарная энергия Э = 4Э1 = 4Э2, а Э12 = 2Э1 = 2Э2. Знаменатель дроби в правой части (2.145) при этом равен Э1 + Э2 (так же, как и числитель) и К = +1.
Для того чтобы сигналы были некогерентны (т. е. чтобы К = 0), должно выполняться условие
Но это условие есть не что иное, как условие ортогональности рассматриваемых сигналов.
Таким образом, приходим к выводу, что некогерентные сигналы обязательно являются ортогональными. Из ортогональности некогерентных сигналов следует, что при линейном их сложении энергия суммы сигналов равна сумме энергий отдельных слагаемых.