量子探測(cè)技術(shù)打破經(jīng)典限制提升性能擴(kuò)展功能

一、 前言

量子科技的價(jià)值日漸體現(xiàn)，量子探測(cè)技術(shù)是量子科技的重要方向之一。量子探測(cè)技術(shù)是傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)和新興的量子科技融合產(chǎn)生的新型探測(cè)技術(shù)。主要針對(duì)目前傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)無(wú)法解決的瓶頸問(wèn)題，例如探測(cè)信噪比探測(cè)靈敏度限制，探測(cè)成像分辨率限制，復(fù)雜環(huán)境探測(cè)性能下降的問(wèn)題，更多維度特征信息的探測(cè)獲取等。文中首先綜述了一些現(xiàn)有的前沿量子探測(cè)技術(shù)情況，然后介紹了哈工大課題組在量子探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一些典型工作，最后對(duì)整個(gè)量子探測(cè)技術(shù)方向發(fā)展提出的建議。

二、現(xiàn)有的前沿量子探測(cè)技術(shù)

現(xiàn)有的前沿量子探測(cè)技術(shù)主要包括基于量子偏振的安全量子探測(cè)技術(shù)、量子關(guān)聯(lián)成像（即鬼成像）探測(cè)技術(shù)、量子照明探測(cè)技術(shù)、量子增強(qiáng)激光探測(cè)技術(shù)。

（1）基于量子偏振的安全量子探測(cè)技術(shù)

圖1基于量子偏振的安全量子探測(cè)系統(tǒng)和結(jié)果

美國(guó)羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所的梅胡爾·馬利克(Mehul Malik)等人最早提出一種抗干擾的量子安全成像探測(cè)技術(shù)。該方案利用量子偏振特性來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，該技術(shù)的原理與量子密鑰分發(fā)技術(shù)類似，在竊聽者試圖竊聽時(shí)就改變了光子的量子特性從而暴露自己的竊聽行為，這種量子安全成像方案能輕易探測(cè)到具有隱身功能的隱形飛機(jī)，而且?guī)缀跏遣豢杀桓蓴_的。其工作過(guò)程如圖1所示，He-Ne激光器發(fā)出波長(zhǎng)為0.6328μm的激光，經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制裝置產(chǎn)生0度、45度、90度和135度四種偏振態(tài)，照射目標(biāo)，模擬遠(yuǎn)距離傳輸進(jìn)一步衰減為平均每脈沖含有一個(gè)光子的脈沖序列。這些單光子脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)極化分束器分束，再經(jīng)過(guò)透鏡匯聚然后由EMCCD探測(cè)四種不同偏振態(tài)的回波光子，最后給出目標(biāo)的成像結(jié)果，通過(guò)錯(cuò)誤率分析判斷信號(hào)是否受到干擾。

（2）量子關(guān)聯(lián)成像（即鬼成像）探測(cè)技術(shù)

鬼成像最早的構(gòu)想是利用相互糾纏的光源進(jìn)行關(guān)聯(lián)成像。在20世紀(jì)80年代左右，前蘇聯(lián)的科學(xué)家Klyshko參考糾纏光子對(duì)特有的量子糾纏現(xiàn)象，首先在理論上闡述了利用糾纏光子的關(guān)聯(lián)成像方案。關(guān)聯(lián)成像第一次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是University of Maryland的史硯華教授于1995年實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)使用的裝置結(jié)構(gòu)可以由圖2(a)表示出來(lái)，氬離子激光器發(fā)出波長(zhǎng)為351.1nm，光束直徑為2mm的光源作為泵浦光源，用于泵浦非線性硼酸鋇晶體（BBO）來(lái)形成糾纏光源，光源被分成兩束光束，其中一束為信號(hào)光，信號(hào)光經(jīng)過(guò)物體后攜帶著物體的信息，被一個(gè)25mm焦距的D1接收器進(jìn)行桶測(cè)量；另一束光為參考光，被一個(gè)由直徑為0.5mm的多模光纖組成的接收器接收，兩個(gè)光路的探測(cè)器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)關(guān)聯(lián)計(jì)算，就可以得到該目標(biāo)的強(qiáng)度像信息。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為透射型物體，該目標(biāo)的成像的結(jié)果如圖2(b)所示。

（a）實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖 （b）實(shí)驗(yàn)中的目標(biāo)和成像結(jié)果

圖2關(guān)聯(lián)成像的實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果

（3）量子照明探測(cè)技術(shù)

量子照明探測(cè)技術(shù)最早由麻省理工學(xué)院的Seth Lloyd等人于2008年提出。他們提出使用制備的量子糾纏光子對(duì)實(shí)現(xiàn)量子照明，量子照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其中一路糾纏光子發(fā)射照亮物體，另一路糾纏光子保留在本地作為輔助信號(hào)。系統(tǒng)通過(guò)回波光子和本地光子的糾纏測(cè)量實(shí)現(xiàn)探測(cè)信噪比的提升。理論研究表明。具有m比特糾纏的量子照明可以有效提高信噪比2m倍。即使在噪聲和損耗很強(qiáng)的環(huán)境下以至于探測(cè)器上不存在糾纏時(shí)，量子增強(qiáng)效果仍然存在。

圖3量子照明激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖

（4）量子增強(qiáng)激光探測(cè)技術(shù)

圖4量子增強(qiáng)激光探測(cè)技術(shù)的示意圖

a、b分別為相干態(tài)和壓縮真空態(tài)

量子增強(qiáng)激光雷達(dá)基于干涉測(cè)量原理，通過(guò)測(cè)量干涉光路中兩條光路的相位差得到目標(biāo)信息。如圖4所示為2008年意大利波沃特倫托大學(xué)的L. Pezzé和A. Smerzi提出的基于相干態(tài)和壓縮真空態(tài)輸入的相位測(cè)量方案。該方案基于馬赫-曾德爾干涉儀，其中a、b為輸入端，第二行光束中由于目標(biāo)的存在引入了θ的相位延遲。c、d為系統(tǒng)的輸出端，通過(guò)探測(cè)器探測(cè)輸出端c、d的輸出光強(qiáng)以及干涉條紋的變化規(guī)律，計(jì)算出目標(biāo)導(dǎo)致的相位延遲量θ。輸入端a、b的輸入光場(chǎng)分別為相干態(tài)和壓縮真空態(tài)。通過(guò)理論推導(dǎo)和仿真研究表明，相干態(tài)和壓縮真空態(tài)中的平均光子數(shù)相等時(shí)，該測(cè)量方案的相位靈敏度最佳并且可以漸近地達(dá)到海森堡極限。

三、哈工大課題組在量子探測(cè)領(lǐng)域的典型工作

（1）量子軌道角動(dòng)量高靈敏激光探測(cè)技術(shù)

針對(duì)激光雷達(dá)在強(qiáng)背景噪聲影響下探測(cè)靈敏度降低的問(wèn)題，利用量子軌道角動(dòng)量對(duì)信號(hào)及噪聲進(jìn)行空間分離，相比經(jīng)典探測(cè)實(shí)現(xiàn)了靈敏度兩個(gè)量級(jí)的提升。

（2）量子軌道角動(dòng)量高精度測(cè)距技術(shù)

針對(duì)現(xiàn)有精密測(cè)距體制的探測(cè)精度與探測(cè)速率負(fù)相關(guān)的問(wèn)題，利用量子軌道角動(dòng)量本征態(tài)的旋轉(zhuǎn)特性實(shí)現(xiàn)高精度單脈沖測(cè)距，測(cè)距精度達(dá)到納米量級(jí)。

（3）量子微多普勒探測(cè)技術(shù)

針對(duì)目前探測(cè)系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的測(cè)量受經(jīng)典探測(cè)極限限制的問(wèn)題，只能判斷信號(hào)有無(wú)，無(wú)法進(jìn)行多維度探測(cè)。本課題組提出，量子微多普勒探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)量子場(chǎng)的相干性，探測(cè)微弱信號(hào)中攜帶的目標(biāo)的微小運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的多維度探測(cè)。

（4）量子軌道角動(dòng)量三維矢量速度測(cè)量

目前激光多普勒測(cè)速只能獲取目標(biāo)的徑向速度或徑向速度分量，無(wú)法獲取目標(biāo)的橫向速度。該研究利用量子軌道角動(dòng)量特有的橫向多普勒效應(yīng)，通過(guò)量子軌道角動(dòng)量光場(chǎng)多特征點(diǎn)頻移測(cè)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維矢量速度的獲取。

（5）量子軌道角動(dòng)量穿云透霧探測(cè)技術(shù)

針對(duì)激光主動(dòng)探測(cè)受云霧等復(fù)雜環(huán)境限制嚴(yán)重的問(wèn)題，云霧會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的后向散射，而且該后向散射又是和信號(hào)同波長(zhǎng)的，傳統(tǒng)濾光方法無(wú)效，這致使探測(cè)信噪比和靈敏度大幅下降，甚至后向散射致使探測(cè)器飽和根本無(wú)法工作。該研究利用基于量子軌道角動(dòng)量空間濾噪新手段實(shí)現(xiàn)穿云透霧的高靈敏度主動(dòng)探測(cè)。

四、小結(jié)及展望

量子探測(cè)技術(shù)旨在將量子技術(shù)引入到經(jīng)典探測(cè)技術(shù)中，解決經(jīng)典探測(cè)技術(shù)無(wú)法解決的卡脖子難題，打破經(jīng)典限制提升性能擴(kuò)展功能?？v觀整個(gè)探測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程，探測(cè)技術(shù)中信息維度不斷發(fā)生拓展，從最開始的單純只利用信號(hào)的能量，演化到后來(lái)綜合利用信號(hào)的頻率和相位信息，隨著信息維度的拓展，探測(cè)性能也得到了逐步的提升?，F(xiàn)在量子探測(cè)技術(shù)也是在此整體發(fā)展的趨勢(shì)上通過(guò)量子信息技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展可利用的信息維度，從而提升其總體性能，催生出各種新興體制的量子探測(cè)技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介

張子靜，教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電新技術(shù)研究所副所長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事量子探測(cè)以及新體制量子激光雷達(dá)等領(lǐng)域的研究。主持國(guó)際級(jí)科研項(xiàng)目9項(xiàng)，參與20余項(xiàng)。發(fā)表SCI論文30余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利30余項(xiàng)，已授權(quán)15項(xiàng)。（zhangzijing@hit.edu.cn）

趙遠(yuǎn)，教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)新中心主任，中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)理事，國(guó)家級(jí)主題專家。長(zhǎng)期從事光子學(xué)光電探測(cè)、激光雷達(dá)、量子探測(cè)、微波光子學(xué)等領(lǐng)域的研究。發(fā)表SCI索引論文50余篇，EI索引論文100余篇，出版著作5部，獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)。獲得全國(guó)發(fā)明專利展覽會(huì)金獎(jiǎng)1項(xiàng)。

審核編輯：郭婷