量子雷達：量子和量子糾纏

在介紹量子雷達之前首先科普下量子和量子糾纏： 量子（quantum）是現(xiàn)代物理的重要概念。最早是德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍。后來的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓力學為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。

量子糾纏是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，雖然粒子在空間上可能分離。糾纏是關(guān)于量子力學理論最著名的預測 。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使相距遙遠距離，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態(tài)。當其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會即刻發(fā)生相應的狀態(tài)變化。

愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅似的遠距作用”（spooky action at a distance） 。但這并不僅僅是個詭異的預測，而是已經(jīng)在實驗中獲得的現(xiàn)象。 中科大量子信息實驗室的老大郭光燦院士曾經(jīng)打過一個比方比喻，說在美國的女兒生下孩子那一瞬間，遠在中國的母親就變成了姥姥，即便她自己還不知道。之所以她是姥姥別人不是，而且她一定會成為姥姥，就是因為她和女兒之間有一種“糾纏”關(guān)系。

研究現(xiàn)狀

量子雷達是21世紀后萌發(fā)的新概念武器系統(tǒng)，為了應對隱形戰(zhàn)機逐漸普遍化的世界，防守方需要對抗的需求。 2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統(tǒng)模型。2012年美國羅切斯特大學光學研究所的研究團隊聲稱研發(fā)出一種抗干擾的量子雷達理論，這種雷達利用光子碰觸到目標后產(chǎn)生的量子態(tài)變換來偵測，可以表征量子“漲落變化”等微觀資訊，所以整個量子雷達靈敏度極高，噪聲基底極低，又幾乎不可能被電波干擾裝置擾亂，再加上能忽略工作頻段、雜波等，此種雷達探測隱形戰(zhàn)機的范圍理論上可達數(shù)十倍。

2012年東京大學的團隊采用超導回路，取得了微波頻段單光子態(tài)與后續(xù)壓縮態(tài)產(chǎn)生、接收技術(shù)的元件新突破。2013年意大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測，證明其有實戰(zhàn)價值的可能性。 2016年8月中國電科14所“智慧感知技術(shù)重點實驗室”發(fā)布成功研制單光子檢測量子雷達系統(tǒng)成品，在中國科學技術(shù)大學、中國電科27所以及南京大學等協(xié)作單位的共同努力下，完成了量子探測機理、目標散射特性研究以及量子探測原理的實驗驗證，并且在外場完成真實大氣環(huán)境下探測試驗，獲得了百公里級探測威力，探測靈敏度極大提高，指標均達到預期效果。

分類

1、量子雷達發(fā)射非糾纏的量子態(tài)電磁波。發(fā)射機發(fā)射單光子脈沖探詢目標可能存在的區(qū)域，如果目標存在，則信號光子將會以一定的概率返回至接收機處，通過對返回光子狀態(tài)的測量可以提取出目標信息。

2、量子雷達發(fā)射糾纏的量子態(tài)電磁波。其探測過程為利用泵浦光子穿過（ＢＢＯ）晶體，通過參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生大量糾纏光子對，各糾纏光子對之間的偏振態(tài)彼此正交，將糾纏的光子對分為探測光子和成像光子，成像光子保留在量子存儲器中，探測光子由發(fā)射機發(fā)射經(jīng)目標反射后，被量子雷達接收，根據(jù)探測光子和成像光子的糾纏關(guān)聯(lián)可提高雷達的探測性能。與不采用糾纏的量子雷達相比，采用糾纏的量子雷達分辨率以二次方速率提高。

3、雷達發(fā)射經(jīng)典態(tài)的電磁波。在接收機處使用量子增強檢測技術(shù)以提升雷達系統(tǒng)的性能，目前，該技術(shù)在激光雷達技術(shù)中有著廣泛的應用。

其他

為了占領(lǐng)戰(zhàn)略制高點，洛克希德·馬丁公司已經(jīng)在2008年申請了相關(guān)的專利，該專利設(shè)想了糾纏不同的用途。目前的雷達系統(tǒng)變得和范圍的增加用處不大，因為頻率需要長距離傳輸不太敏感。根據(jù)專利這個問題可以通過在不同的頻率纏結(jié)的光，然后一起發(fā)送出來作為束被除去。該專利表示：“糾纏雷達波可以進行更有效的傳播較低頻率結(jié)合一個或多個顆粒具有相對高的頻率分辨率，與一種或多種的顆粒?！?然后，雷達波束可能會“通過傳播不同類型的介質(zhì)，解決不同類型的目標。

量子雷達是將量子信息技術(shù)引入經(jīng)典雷達探測領(lǐng)域，解決經(jīng)典雷達在探測、測量和成像等方面的技術(shù)瓶頸，提升雷達的綜合性能。量子雷達屬于一種新概念雷達，首要應用是實現(xiàn)目標有無的探測，在此基礎(chǔ)上可以進一步擴展應用領(lǐng)域，包括量子成像雷達、量子測距雷達和量子導航雷達等，從本質(zhì)上來說，量子雷達并沒有脫離經(jīng)典雷達探測的框架體系，只是在利用量子理論進行系統(tǒng)分析時，對雷達中一些概念和物理現(xiàn)象，如接收機噪聲等，具有全新的、更準確的理解。在此基礎(chǔ)上，量子雷達從信息調(diào)制載體和檢測處理等方面入手，提升雷達的性能。總體而言，量子雷達是對經(jīng)典雷達理論的更新和補充，而不是顛覆和取代。

編輯：黃飛