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，傳統(tǒng)雷達(dá)探測性能已接近經(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，隨著了量子信息學(xué)的蓬勃發(fā)展，量子技術(shù)與雷達(dá)探測走向結(jié)合，迎來了量子雷達(dá)的誕生。量子雷達(dá)有望大幅提高雷達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)的探測能力，在未來軍事反隱身作戰(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，通過對電磁場的微觀量子和量子態(tài)操作和控制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測、測量和成像的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)。

量子雷達(dá)利用光子的量子特性來對目標(biāo)進(jìn)行成像，由于任何物體（如****飛機(jī)）被發(fā)送出的光子碰觸之後，都會改變光子的量子特性，而特性被改變的光子訊號經(jīng)目標(biāo)反射，被訊號接收器接收并成像后，就能輕易探測到物體的具體位置。

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)類似，在竊聽者試圖擷取、干擾光子攜帶的訊息時(shí)，因光子特性遭到改變，反而讓竊聽者暴露自己的位置。

量子雷達(dá)通過將量子信息技術(shù)引入經(jīng)典雷達(dá)探測領(lǐng)域，解決了經(jīng)典雷達(dá)在探測、測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)有無的探測，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

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

量子雷達(dá)基本組成框圖

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

①、信息載體與信號體制不同

經(jīng)典雷達(dá)基于電磁波的波動性，對其在時(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)檢測機(jī)理大多是基于信噪比最大準(zhǔn)則，利用回波信號宏觀的相參特征實(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)雜的信號處理過程，而是利用精準(zhǔn)的量子測量手段從回波中“測量”出其中攜帶的目標(biāo)信息．

③、****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)器件無法有效工作，從而需研究設(shè)計(jì)符合量子電動力學(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)上來說，量子雷達(dá)仍屬于傳統(tǒng)雷達(dá)探測與成像的理論體系范疇，量子雷達(dá)是對傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和補(bǔ)充，而不是顛覆和取代。從廣義上來說，我們在討論量子雷達(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；從狹義上來說，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

依據(jù)所利用量子現(xiàn)象和探測信號形式以及信息獲取方式的不同，量子雷達(dá)有多種分類方法，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)類別。

量子增強(qiáng)雷達(dá)

雷達(dá)****經(jīng)典態(tài)的電磁波，使用光子探測器接收回波信號，利用量子增強(qiáng)檢測技術(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)****糾纏的量子態(tài)電磁波，****機(jī)將糾纏光子對中的信號光子****出去，“備份”光子保留在接收機(jī)中，如果目標(biāo)將信號光子反射回來，那么通過對信號光子和“備份”光子的糾纏測量可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的檢測。

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，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“鬼成像”，是量子光學(xué)的一個(gè)重要分支，其利用光場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)對目標(biāo)的成像，因此也稱為關(guān)聯(lián)成像。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****機(jī)****經(jīng)目標(biāo)反射后，被量子雷達(dá)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(dá)的探測性能。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)探測信號形式的不同，量子雷達(dá)還可以分為單光子探測量子雷達(dá)和多光子探測量子雷達(dá)。

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

多光子探測量子雷達(dá)：****機(jī)****相干態(tài)電磁波或糾纏態(tài)電磁波，利用****信號中多個(gè)光子的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行目標(biāo)探測，接收機(jī)處通過對單個(gè)光子狀態(tài)的測 量和辨識完成目標(biāo)探測。相對于單光子探測量子雷達(dá)，它雖然會受到一定程度的干擾，但實(shí)現(xiàn)起來相對容易些，具有更大的現(xiàn)實(shí)意義。

四、量子雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢

目前，經(jīng)典雷達(dá)存在一些缺點(diǎn)，一是****功率大（幾十千瓦），電磁泄漏大；二是反隱身能力相對較差；三是成像能力相對較弱；四是信號處理復(fù)雜，實(shí)時(shí)性弱。針對經(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，可以通過與經(jīng)典雷達(dá)相結(jié)合，提升雷達(dá)的探測性能。

首先，量子信息技術(shù)中的信息載體為單個(gè)量子，信號的產(chǎn)生、調(diào)制和接收、檢測的對象均為單個(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。再忽略工作頻段、雜波和動態(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)對于微弱目標(biāo)，甚至隱身目標(biāo)的探測能力。

其次，量子信息技術(shù)中的調(diào)制對象為量子態(tài)，相比較經(jīng)典雷達(dá)的信息調(diào)制對象，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)，通過對高維信息的操作，可以獲取更多的性能。對于目標(biāo)探測而言，通過高階信息調(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)檢測的能力；從信號分析角度出發(fā)，通過對信號進(jìn)行量子高階微觀調(diào)制，使得傳統(tǒng)信號分析方法難以準(zhǔn)確提取征收信號中調(diào)制的信息，從而提升在電子對抗環(huán)境下的抗偵聽能力。綜合而言，通過量子信息技術(shù)的引入，通過量子化接收，原理上可以有效降低接收信號中的噪聲基底功率；通過量子態(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****信號被準(zhǔn)確分析和復(fù)制的可能性，從而在目標(biāo)探測和電子對抗領(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)中使用量子信號的可能性。

1967年，在量子力學(xué)、傳統(tǒng)檢測與估計(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與估計(jì)理論以突破傳統(tǒng)檢測與估計(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****戰(zhàn)機(jī)逐漸普遍化的世界，防守方需要對抗的需求。

美軍F-22****戰(zhàn)機(jī)

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

2012年美國羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)聲稱研發(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)變換來偵測，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****戰(zhàn)機(jī)的范圍理論上可達(dá)數(shù)十倍。

2012年東京大學(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，證明其有實(shí)戰(zhàn)價(jià)值的可能性。

2016年8月中國電科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量子雷達(dá)系統(tǒng)成品，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國電科27所以及南京大學(xué)等協(xié)作單位的共同努力下，完成了量子探測機(jī)理、目標(biāo)散射特性研究以及量子探測原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且在外場完成真實(shí)大氣環(huán)境下探測試驗(yàn)，獲得了百公里級探測威力，探測靈敏度極大提高，指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果，并且可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)役的****戰(zhàn)機(jī)。

對此，有專家表示，中國量子雷達(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，但成像過程還是比較復(fù)雜，流程也較漫長，實(shí)用性還有待發(fā)展，很難說叫量子成像。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，隨著量子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，量子雷達(dá)技術(shù)迎來了新的研究高潮，瞄準(zhǔn)反隱身探測、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、未來量子雷達(dá)的研究發(fā)展趨勢

當(dāng)前量子雷達(dá)工作體制、目標(biāo)探測與成像等諸多機(jī)理性問題尚不明晰，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。未來其研究發(fā)展趨勢主要包括以下四點(diǎn)。

微觀量子態(tài)制備與檢測

量子雷達(dá)****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，特別是糾纏態(tài)的制備與檢測，是****與接收系統(tǒng)研究中的主要難題。

另外，雖然量子糾纏產(chǎn)生與檢測理論研究已相當(dāng)完善，在實(shí)驗(yàn)室中可以制備與檢測可見光附近頻段的糾纏光子態(tài)。然而，對于微波或其他頻段的量子態(tài)，其產(chǎn)生與探測仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，可以預(yù)見，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，探測信號產(chǎn)生、雷達(dá)與目標(biāo)相互作用、目標(biāo)回波檢測等過程都應(yīng)當(dāng)視為對量子系統(tǒng)的操作，因此，量子信息處理原理和方式也將與傳統(tǒng)的信號處理手段有著很大的區(qū)別。

與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)信號處理理論相對應(yīng)，需要研究量子系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)與檢測理論，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)探測獲取目標(biāo)信息的基礎(chǔ)，同時(shí)對雷達(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)信號與目標(biāo)相互作用機(jī)理，不同目標(biāo)對信號光子狀態(tài)的“調(diào)制”作用以及傳播信道對量子態(tài)的改變作用等問題是目標(biāo)探測與識別的理論基礎(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)基于對電磁場的量子態(tài)操作和控制實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測、測量和成像，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應(yīng)以及如何將宏觀問題轉(zhuǎn)化為量子微觀問題來解決，即微觀量子操控與宏觀探測應(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)重要問題。

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