一文讀懂量子雷達(dá)

歷經(jīng)70余年的發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)在理論、體制、實(shí)現(xiàn) 方法及技術(shù)應(yīng)用等方面都已取得了很大的進(jìn)展。但近年來(lái)，傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)性能已接近經(jīng)典物理學(xué)極限，如何進(jìn)一步提升雷達(dá)系統(tǒng)性能成為了困擾科技人員的難題。

不過(guò)，隨著了量子信息學(xué)的蓬勃發(fā)展，量子技術(shù)與雷達(dá)探測(cè)走向結(jié)合，迎來(lái)了量子雷達(dá)的誕生。量子雷達(dá)有望大幅提高雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力，在未來(lái)軍事反隱身作戰(zhàn)、空間探索等領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。

一、什么是量子雷達(dá)？

量子雷達(dá)屬于一種新概念雷達(dá)，它是將傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與量子信息技術(shù)相結(jié)合，利用電磁波的波粒二象性，通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)的微觀量子和量子態(tài)操作和控制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)、測(cè)量和成像的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)。

量子雷達(dá)利用光子的量子特性來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，由于任何物體（如隱形飛機(jī)）被發(fā)送出的光子碰觸之後，都會(huì)改變光子的量子特性，而特性被改變的光子訊號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射，被訊號(hào)接收器接收并成像后，就能輕易探測(cè)到物體的具體位置。

而且因?yàn)楣庾訋缀醪豢赡鼙黄渌到y(tǒng)干擾，因此量子雷達(dá)的安全性高。該技術(shù)的原理與量子通訊的加密技術(shù)相當(dāng)類(lèi)似，在竊聽(tīng)者試圖擷取、干擾光子攜帶的訊息時(shí)，因光子特性遭到改變，反而讓竊聽(tīng)者暴露自己的位置。

量子雷達(dá)通過(guò)將量子信息技術(shù)引入經(jīng)典雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域，解決了經(jīng)典雷達(dá)在探測(cè)、測(cè)量和成像等方面的技術(shù)瓶頸，提升了雷達(dá)的綜合性能。其首要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)有無(wú)的探測(cè)，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用包括量子成像雷達(dá)、量子測(cè)距雷達(dá)和量子導(dǎo)航雷達(dá)等。

二、量子雷達(dá)與經(jīng)典雷達(dá)的區(qū)別

相對(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)，量子雷達(dá)以電磁場(chǎng)微觀量子作為信息載體，發(fā)射由少量數(shù)目光子組成的探測(cè)信號(hào)，光子與目標(biāo)相互作用過(guò)程遵循量子電動(dòng)力學(xué)規(guī)則，接收端采用光子探測(cè)器進(jìn)行接收，并通過(guò)量子系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)與測(cè)量技術(shù)獲取回波信號(hào)光子態(tài)中的目標(biāo)信息。

量子雷達(dá)基本組成框圖

具體來(lái)說(shuō)，量子雷達(dá)區(qū)別于經(jīng)典雷達(dá)的特點(diǎn)主要包括：

①、信息載體與信號(hào)體制不同

經(jīng)典雷達(dá)基于電磁波的波動(dòng)性，對(duì)其在時(shí)域、頻域、 極化域進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)以獲取被探測(cè)目標(biāo)的信息；量子雷達(dá)更加注重電磁波的粒子性，尤其是利用了量子 糾纏等特殊量子效應(yīng)，從而有望獲取更多的目標(biāo)信息。

②、信號(hào)處理手段與信息獲取方式不同

當(dāng)前，經(jīng)典雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)機(jī)理大多是基于信噪比最大準(zhǔn)則，利用回波信號(hào)宏觀的相參特征實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)；量子雷達(dá)通常不需要復(fù)雜的信號(hào)處理過(guò)程，而是利用精準(zhǔn)的量子測(cè)量手段從回波中“測(cè)量”出其中攜帶的目標(biāo)信息．

③、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)結(jié)構(gòu)和器件不同

在量子雷達(dá)領(lǐng)域，量子效應(yīng)將導(dǎo)致傳統(tǒng)器件無(wú)法有效工作，從而需研究設(shè)計(jì)符合量子電動(dòng)力學(xué)規(guī)則的量子器件．由此，經(jīng)典雷達(dá)系統(tǒng)噪聲在量子雷達(dá)系統(tǒng)中主要表現(xiàn)為量子噪聲，因而量子雷達(dá)通常具有極低的噪聲基底。

如上所述，量子雷達(dá)與經(jīng)典雷達(dá)有諸多不同，但從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，量子雷達(dá)仍屬于傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)與成像的理論體系范疇，量子雷達(dá)是對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和補(bǔ)充，而不是顛覆和取代。從廣義上來(lái)說(shuō)，我們?cè)谟懻摿孔永走_(dá)技術(shù)時(shí)，并不局限其工作頻率，微波／毫米 波、紅外、太赫茲等波段都可以利用；從狹義上來(lái)說(shuō)，如 果能夠使量子雷達(dá)工作于傳統(tǒng)雷達(dá)頻段，尤其是微波頻段，那么量子雷達(dá)將具有全天時(shí)、全天候的工作能力， 其應(yīng)用范圍將更為廣闊。

三、量子雷達(dá)的分類(lèi)

依據(jù)所利用量子現(xiàn)象和探測(cè)信號(hào)形式以及信息獲取方式的不同，量子雷達(dá)有多種分類(lèi)方法，首先依據(jù)所利用量子現(xiàn)象和信息獲取方式的不同，可以將量子雷 達(dá)分為以下三個(gè)類(lèi)別。

量子增強(qiáng)雷達(dá)

雷達(dá)發(fā)射經(jīng)典態(tài)的電磁波，使用光子探測(cè)器接收回波信號(hào)，利用量子增強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)以提升雷達(dá)系統(tǒng)的性能，目前該技術(shù)在激光雷達(dá)中已取得較為廣泛的應(yīng)用。此外，量子增強(qiáng)雷達(dá)還包括基于高精度時(shí)頻基準(zhǔn)傳遞的量子增強(qiáng)陣列雷達(dá)。

量子糾纏雷達(dá)

量子雷達(dá)發(fā)射糾纏的量子態(tài)電磁波，發(fā)射機(jī)將糾纏光子對(duì)中的信號(hào)光子發(fā)射出去，“備份”光子保留在接收機(jī)中，如果目標(biāo)將信號(hào)光子反射回來(lái)，那么通過(guò)對(duì)信號(hào)光子和“備份”光子的糾纏測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。

量子衍生雷達(dá)

借鑒于量子物理理論或其數(shù)學(xué)思想發(fā)展而來(lái)，可以顯著提升傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的性能但并不依靠真實(shí)量子物理體系來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前在雷達(dá)成像領(lǐng)域發(fā)展較快。

量子成像又稱(chēng)“鬼成像”，是量子光學(xué)的一個(gè)重要分支，其利用光場(chǎng)的量子相干性和不確定性，采用二階（高階）關(guān)聯(lián)方法是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的成像，因此也稱(chēng)為關(guān)聯(lián)成像。其探測(cè)過(guò)程為利用泵浦光子穿過(guò)（BBO）晶體，通過(guò)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生大量糾纏光子對(duì)，各糾纏光子對(duì)之間的偏振態(tài)彼此正交，將糾纏的光子對(duì)分為探測(cè)光子和成像光子，成像光子保留在量子存儲(chǔ)器中，探測(cè)光子由發(fā)射機(jī)發(fā)射經(jīng)目標(biāo)反射后，被量子雷達(dá)接收，根據(jù)探測(cè)光子和成像光子的糾纏關(guān)聯(lián)可提高雷達(dá)的探測(cè)性能。與不采用糾纏的量子雷達(dá)相比，采用糾纏的量子雷達(dá)分辨率以二次方速率提高。

另外，根據(jù)探測(cè)信號(hào)形式的不同，量子雷達(dá)還可以分為單光子探測(cè)量子雷達(dá)和多光子探測(cè)量子雷達(dá)。

單光子探測(cè)量子雷達(dá)：發(fā)射機(jī)發(fā)射單光子或糾纏光子脈沖探詢(xún)目標(biāo)可能存在的區(qū)域，如果目標(biāo)存在，則信號(hào)光子將會(huì)以一定的概率返回至接收機(jī)處，通過(guò)對(duì)返回單個(gè)光子狀態(tài)的測(cè)量可以提取出目標(biāo)信息。此為一種理想的探測(cè)方案，優(yōu)點(diǎn)是幾乎不受干擾，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)困難。

多光子探測(cè)量子雷達(dá)：發(fā)射機(jī)發(fā)射相干態(tài)電磁波或糾纏態(tài)電磁波，利用發(fā)射信號(hào)中多個(gè)光子的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，接收機(jī)處通過(guò)對(duì)單個(gè)光子狀態(tài)的測(cè) 量和辨識(shí)完成目標(biāo)探測(cè)。相對(duì)于單光子探測(cè)量子雷達(dá)，它雖然會(huì)受到一定程度的干擾，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易些，具有更大的現(xiàn)實(shí)意義。

四、量子雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前，經(jīng)典雷達(dá)存在一些缺點(diǎn)，一是發(fā)射功率大（幾十千瓦），電磁泄漏大；二是反隱身能力相對(duì)較差；三是成像能力相對(duì)較弱；四是信號(hào)處理復(fù)雜，實(shí)時(shí)性弱。針對(duì)經(jīng)典雷達(dá)存在的技術(shù)難點(diǎn)，量子信息技術(shù)均存在一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)與經(jīng)典雷達(dá)相結(jié)合，提升雷達(dá)的探測(cè)性能。

首先，量子信息技術(shù)中的信息載體為單個(gè)量子，信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制和接收、檢測(cè)的對(duì)象均為單個(gè)量子，因此整個(gè)接收系統(tǒng)具有極高的靈敏度，即量子接收系統(tǒng)的噪聲基底極低，相比經(jīng)典雷達(dá)的接收機(jī)，噪聲基底能夠降低若干個(gè)數(shù)量級(jí)。再忽略工作頻段、雜波和動(dòng)態(tài)范圍等實(shí)現(xiàn)因素，則雷達(dá)作用距離可以大幅提升數(shù)倍甚至數(shù)十倍。從而大大提升雷達(dá)對(duì)于微弱目標(biāo)，甚至隱身目標(biāo)的探測(cè)能力。

其次，量子信息技術(shù)中的調(diào)制對(duì)象為量子態(tài)，相比較經(jīng)典雷達(dá)的信息調(diào)制對(duì)象，量子態(tài)可以表征量子“漲落變化”等微觀信息，具有比經(jīng)典時(shí)、頻、極化等更加高階的信息，即調(diào)制信息維度更高。

從信息論角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)高維信息的操作，可以獲取更多的性能。對(duì)于目標(biāo)探測(cè)而言，通過(guò)高階信息調(diào)制，可以在不影響積累得益的前提下，進(jìn)一步壓低噪聲基底，從而提升噪聲中微弱目標(biāo)檢測(cè)的能力；從信號(hào)分析角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行量子高階微觀調(diào)制，使得傳統(tǒng)信號(hào)分析方法難以準(zhǔn)確提取征收信號(hào)中調(diào)制的信息，從而提升在電子對(duì)抗環(huán)境下的抗偵聽(tīng)能力。綜合而言，通過(guò)量子信息技術(shù)的引入，通過(guò)量子化接收，原理上可以有效降低接收信號(hào)中的噪聲基底功率；通過(guò)量子態(tài)調(diào)制，原理上可以增加信息處理的維度，一方面可以提升信噪比得益，另一方面可以降低發(fā)射信號(hào)被準(zhǔn)確分析和復(fù)制的可能性，從而在目標(biāo)探測(cè)和電子對(duì)抗領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。

五、量子雷達(dá)發(fā)展歷程

量子雷達(dá)相關(guān)技術(shù)研究起源于上世紀(jì)60年代，P.A.Bakut探索了在傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)中使用量子信號(hào)的可能性。

1967年，在量子力學(xué)、傳統(tǒng)檢測(cè)與估計(jì)理論以及經(jīng)典信息論的基礎(chǔ)上，C.W.Helstrom等人研究了量子檢測(cè)與估計(jì)理論以突破傳統(tǒng)檢測(cè)與估計(jì)方法的性能極限，為量子雷達(dá)目標(biāo)信息獲取奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

但量子雷達(dá)真正發(fā)展的時(shí)間不過(guò)短短的10多年。

量子雷達(dá)是21世紀(jì)后萌發(fā)的新概念武器系統(tǒng)，為了應(yīng)對(duì)隱形戰(zhàn)機(jī)逐漸普遍化的世界，防守方需要對(duì)抗的需求。

2008年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Lloyd教授首次提出了量子遠(yuǎn)程探測(cè)系統(tǒng)模型。

2012年美國(guó)羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)研發(fā)出一種抗干擾的量子雷達(dá)理論，這種雷達(dá)利用光子碰觸到目標(biāo)后產(chǎn)生的量子態(tài)變換來(lái)偵測(cè)，可以表征量子“漲落變化”等微觀資訊。整個(gè)量子雷達(dá)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(dá)探測(cè)隱形戰(zhàn)機(jī)的范圍理論上可達(dá)數(shù)十倍。

2012年?yáng)|京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)采用超導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室中達(dá)成量子雷達(dá)成像探測(cè)，證明其有實(shí)戰(zhàn)價(jià)值的可能性。

2016年8月中國(guó)電科14所“智慧感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”發(fā)布成功研制單光子檢測(cè)量子雷達(dá)系統(tǒng)成品，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)電科27所以及南京大學(xué)等協(xié)作單位的共同努力下，完成了量子探測(cè)機(jī)理、目標(biāo)散射特性研究以及量子探測(cè)原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且在外場(chǎng)完成真實(shí)大氣環(huán)境下探測(cè)試驗(yàn)，獲得了百公里級(jí)探測(cè)威力，探測(cè)靈敏度極大提高，指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果，并且可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)役的隱形戰(zhàn)機(jī)。

對(duì)此，有專(zhuān)家表示，中國(guó)量子雷達(dá)的相關(guān)研究已做多年，以往在量子成像方面的工作，并沒(méi)有在單光子的水平上，而是用光的高階關(guān)聯(lián)特性實(shí)現(xiàn)成像。雖然能突破云霧等干擾，但成像過(guò)程還是比較復(fù)雜，流程也較漫長(zhǎng)，實(shí)用性還有待發(fā)展，很難說(shuō)叫量子成像。而現(xiàn)在單光子量子雷達(dá)技術(shù)突破，是多年技術(shù)積累的結(jié)果。目前，中國(guó)在量子雷達(dá)領(lǐng)域僅處于技術(shù)先進(jìn)水平，還不是領(lǐng)先狀態(tài)。

近年來(lái)，隨著量子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，量子雷達(dá)技術(shù)迎來(lái)了新的研究高潮，瞄準(zhǔn)反隱身探測(cè)、電 子抗干擾等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，當(dāng)前量子雷達(dá)研究在量子糾纏雷達(dá)、量子增強(qiáng)雷達(dá)和量子衍生雷達(dá)三個(gè)子方向進(jìn)展迅速。

六、未來(lái)量子雷達(dá)的研究發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前量子雷達(dá)工作體制、目標(biāo)探測(cè)與成像等諸多機(jī)理性問(wèn)題尚不明晰，相關(guān)理論、技術(shù)、系統(tǒng)的研究方興未艾，理論研究成果到實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用還存在很大距離。未來(lái)其研究發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下四點(diǎn)。

微觀量子態(tài)制備與檢測(cè)

量子雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)是量子雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其中，微觀量子態(tài)的制備與檢測(cè)，特別是糾纏態(tài)的制備與檢測(cè)，是發(fā)射與接收系統(tǒng)研究中的主要難題。

另外，雖然量子糾纏產(chǎn)生與檢測(cè)理論研究已相當(dāng)完善，在實(shí)驗(yàn)室中可以制備與檢測(cè)可見(jiàn)光附近頻段的糾纏光子態(tài)。然而，對(duì)于微波或其他頻段的量子態(tài)，其產(chǎn)生與探測(cè)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，可以預(yù)見(jiàn)，結(jié)合超材料技術(shù)有望解決這一重要難題。

獲取量子系統(tǒng)信息

由量子雷達(dá)基本定義及其工作原理可知，探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生、雷達(dá)與目標(biāo)相互作用、目標(biāo)回波檢測(cè)等過(guò)程都應(yīng)當(dāng)視為對(duì)量子系統(tǒng)的操作，因此，量子信息處理原理和方式也將與傳統(tǒng)的信號(hào)處理手段有著很大的區(qū)別。

與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理理論相對(duì)應(yīng)，需要研究量子系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)與檢測(cè)理論，為量子雷達(dá)目標(biāo)信息獲取提供重要的理論支撐。

研究量子雷達(dá)目標(biāo)特性

雷達(dá)目標(biāo)特性是雷達(dá)探測(cè)獲取目標(biāo)信息的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)雷達(dá)設(shè)計(jì)具有很大的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)價(jià)值。

在量子雷達(dá)相關(guān)技術(shù)中，量子雷達(dá)信號(hào)與目標(biāo)相互作用機(jī)理，不同目標(biāo)對(duì)信號(hào)光子狀態(tài)的“調(diào)制”作用以及傳播信道對(duì)量子態(tài)的改變作用等問(wèn)題是目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的理論基礎(chǔ)。因此，量子雷達(dá)目標(biāo)散射特性研究是量子雷達(dá)相關(guān)技術(shù)研究探索過(guò)程中必不可少的重要內(nèi)容。

微觀量子操控與宏觀應(yīng)用的“接口”

量子雷達(dá)基于對(duì)電磁場(chǎng)的量子態(tài)操作和控制實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、測(cè)量和成像，然而微觀量子信息是很難被人們直接“感知”的。為了實(shí)現(xiàn)量子雷達(dá)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，需要研究微觀量子信息與宏觀物理量之間的對(duì)應(yīng)以及如何將宏觀問(wèn)題轉(zhuǎn)化為量子微觀問(wèn)題來(lái)解決，即微觀量子操控與宏觀探測(cè)應(yīng)用的“接口”是量子雷達(dá) 技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

上述幾個(gè)方面都具有重要的研究?jī)r(jià)值，如有突破將對(duì)量子雷達(dá)發(fā)展產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。

審核編輯 ：李倩