一文讀懂量子雷達

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

不過(guò)，隨著(zhù)了量子信息學(xué)的蓬勃發(fā)展，量子技術(shù)與雷達探測走向結合，迎來(lái)了量子雷達的誕生。量子雷達有望大幅提高雷達系統對目標的探測能力，在未來(lái)軍事反隱身作戰、空間探索等領(lǐng)域有著(zhù)誘人的應用前景。

一、什么是量子雷達？

量子雷達屬于一種新概念雷達，它是將傳統雷達技術(shù)與量子信息技術(shù)相結合，利用電磁波的波粒二象性，通過(guò)對電磁場(chǎng)的微觀(guān)量子和量子態(tài)操作和控制實(shí)現目標探測、測量和成像的遠程傳感器系統。

量子雷達利用光子的量子特性來(lái)對目標進(jìn)行成像，由于任何物體（如****飛機）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經(jīng)目標反射，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。

而且因為光子幾乎不可能被其他系統干擾，因此量子雷達的安全性高。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。

量子雷達通過(guò)將量子信息技術(shù)引入經(jīng)典雷達探測領(lǐng)域，解決了經(jīng)典雷達在探測、測量和成像等方面的技術(shù)瓶頸，提升了雷達的綜合性能。其首要應用是實(shí)現目標有無(wú)的探測，在此基礎上可以進(jìn)一步擴展應用領(lǐng)域，應用包括量子成像雷達、量子測距雷達和量子導航雷達等。

二、量子雷達與經(jīng)典雷達的區別

相對于傳統雷達，量子雷達以電磁場(chǎng)微觀(guān)量子作為信息載體，****由少量數目光子組成的探測信號，光子與目標相互作用過(guò)程遵循量子電動(dòng)力學(xué)規則，接收端采用光子探測器進(jìn)行接收，并通過(guò)量子系統狀態(tài)估計與測量技術(shù)獲取回波信號光子態(tài)中的目標信息。

量子雷達基本組成框圖

具體來(lái)說(shuō)，量子雷達區別于經(jīng)典雷達的特點(diǎn)主要包括：

①、信息載體與信號體制不同

經(jīng)典雷達基于電磁波的波動(dòng)性，對其在時(shí)域、頻域、 極化域進(jìn)行調制與解調以獲取被探測目標的信息；量子雷達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，從而有望獲取更多的目標信息。

②、信號處理手段與信息獲取方式不同

當前，經(jīng)典雷達的目標檢測機理大多是基于信噪比最大準則，利用回波信號宏觀(guān)的相參特征實(shí)現目標參數的估計；量子雷達通常不需要復雜的信號處理過(guò)程，而是利用精準的量子測量手段從回波中“測量”出其中攜帶的目標信息．

③、****機與接收機結構和器件不同

在量子雷達領(lǐng)域，量子效應將導致傳統器件無(wú)法有效工作，從而需研究設計符合量子電動(dòng)力學(xué)規則的量子器件．由此，經(jīng)典雷達系統噪聲在量子雷達系統中主要表現為量子噪聲，因而量子雷達通常具有極低的噪聲基底。

如上所述，量子雷達與經(jīng)典雷達有諸多不同，但從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，量子雷達仍屬于傳統雷達探測與成像的理論體系范疇，量子雷達是對傳統雷達技術(shù)的發(fā)展和補充，而不是顛覆和取代。從廣義上來(lái)說(shuō)，我們在討論量子雷達技術(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 果能夠使量子雷達工作于傳統雷達頻段，尤其是微波頻段，那么量子雷達將具有全天時(shí)、全天候的工作能力， 其應用范圍將更為廣闊。

三、量子雷達的分類(lèi)

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

量子增強雷達

雷達****經(jīng)典態(tài)的電磁波，使用光子探測器接收回波信號，利用量子增強檢測技術(shù)以提升雷達系統的性能，目前該技術(shù)在激光雷達中已取得較為廣泛的應用。此外，量子增強雷達還包括基于高精度時(shí)頻基準傳遞的量子增強陣列雷達。

量子糾纏雷達

量子雷達****糾纏的量子態(tài)電磁波，****機將糾纏光子對中的信號光子****出去，“備份”光子保留在接收機中，如果目標將信號光子反射回來(lái)，那么通過(guò)對信號光子和“備份”光子的糾纏測量可以實(shí)現對目標的檢測。

量子衍生雷達

借鑒于量子物理理論或其數學(xué)思想發(fā)展而來(lái)，可以顯著(zhù)提升傳統雷達系統的性能但并不依靠真實(shí)量子物理體系來(lái)實(shí)現，目前在雷達成像領(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)現對目標的成像，因此也稱(chēng)為關(guān)聯(lián)成像。其探測過(guò)程為利用泵浦光子穿過(guò)（BBO）晶體，通過(guò)參量下轉換產(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****經(jīng)目標反射后，被量子雷達接收，根據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。

另外，根據探測信號形式的不同，量子雷達還可以分為單光子探測量子雷達和多光子探測量子雷達。

單光子探測量子雷達：****機****單光子或糾纏光子脈沖探詢(xún)目標可能存在的區域，如果目標存在，則信號光子將會(huì )以一定的概率返回至接收機處，通過(guò)對返回單個(gè)光子狀態(tài)的測量可以提取出目標信息。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)現困難。

多光子探測量子雷達：****機****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)行目標探測，接收機處通過(guò)對單個(gè)光子狀態(tài)的測 量和辨識完成目標探測。相對于單光子探測量子雷達，它雖然會(huì )受到一定程度的干擾，但實(shí)現起來(lái)相對容易些，具有更大的現實(shí)意義。

四、量子雷達的技術(shù)優(yōu)勢

目前，經(jīng)典雷達存在一些缺點(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；四是信號處理復雜，實(shí)時(shí)性弱。針對經(jīng)典雷達存在的技術(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(guò)與經(jīng)典雷達相結合，提升雷達的探測性能。

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)接收系統具有極高的靈敏度，即量子接收系統的噪聲基底極低，相比經(jīng)典雷達的接收機，噪聲基底能夠降低若干個(gè)數量級。再忽略工作頻段、雜波和動(dòng)態(tài)范圍等實(shí)現因素，則雷達作用距離可以大幅提升數倍甚至數十倍。從而大大提升雷達對于微弱目標，甚至隱身目標的探測能力。

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

從信息論角度出發(fā)，通過(guò)對高維信息的操作，可以獲取更多的性能。對于目標探測而言，通過(guò)高階信息調制，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檢測的能力；從信號分析角度出發(fā)，通過(guò)對信號進(jìn)行量子高階微觀(guān)調制，使得傳統信號分析方法難以準確提取征收信號中調制的信息，從而提升在電子對抗環(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中的噪聲基底功率；通過(guò)量子態(tài)調制，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****信號被準確分析和復制的可能性，從而在目標探測和電子對抗領(lǐng)域具有廣闊的應用潛力。

五、量子雷達發(fā)展歷程

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

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

但量子雷達真正發(fā)展的時(shí)間不過(guò)短短的10多年。

量子雷達是21世紀后萌發(fā)的新概念武器系統，為了應對****戰機逐漸普遍化的世界，防守方需要對抗的需求。

美軍F-22****戰機

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

2012年美國羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所的研究團隊聲稱(chēng)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(lái)偵測，可以表征量子“漲落變化”等微觀(guān)資訊。整個(gè)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****戰機的范圍理論上可達數十倍。

2012年?yáng)|京大學(xué)的團隊采用超導回路，取得了微波頻段單光子態(tài)與后續壓縮態(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)驗室中達成量子雷達成像探測，證明其有實(shí)戰價(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)驗室”發(fā)布成功研制單光子檢測量子雷達系統成品，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，完成了量子探測機理、目標散射特性研究以及量子探測原理的實(shí)驗驗證，并且在外場(chǎng)完成真實(shí)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，并且可以發(fā)現現役的****戰機。

對此，有專(zhuān)家表示，中國量子雷達的相關(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)現成像。雖然能突破云霧等干擾，但成像過(guò)程還是比較復雜，流程也較漫長(cháng)，實(shí)用性還有待發(fā)展，很難說(shuō)叫量子成像。而現在單光子量子雷達技術(shù)突破，是多年技術(shù)積累的結果。目前，中國在量子雷達領(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(zhù)量子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，量子雷達技術(shù)迎來(lái)了新的研究高潮，瞄準反隱身探測、電 子抗干擾等領(lǐng)域的應用潛力，當前量子雷達研究在量子糾纏雷達、量子增強雷達和量子衍生雷達三個(gè)子方向進(jìn)展迅速。

六、未來(lái)量子雷達的研究發(fā)展趨勢

當前量子雷達工作體制、目標探測與成像等諸多機理性問(wèn)題尚不明晰，相關(guān)理論、技術(shù)、系統的研究方興未艾，理論研究成果到實(shí)際系統應用還存在很大距離。未來(lái)其研究發(fā)展趨勢主要包括以下四點(diǎn)。

微觀(guān)量子態(tài)制備與檢測

量子雷達****機和接收系統設計是量子雷達系統設計的核心，其中，微觀(guān)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完善，在實(shí)驗室中可以制備與檢測可見(jiàn)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)具有挑戰性的問(wèn)題，可以預見(jiàn)，結合超材料技術(shù)有望解決這一重要難題。

獲取量子系統信息

由量子雷達基本定義及其工作原理可知，探測信號產(chǎn)生、雷達與目標相互作用、目標回波檢測等過(guò)程都應當視為對量子系統的操作，因此，量子信息處理原理和方式也將與傳統的信號處理手段有著(zhù)很大的區別。

與經(jīng)典統計信號處理理論相對應，需要研究量子系統狀態(tài)估計與檢測理論，為量子雷達目標信息獲取提供重要的理論支撐。

研究量子雷達目標特性

雷達目標特性是雷達探測獲取目標信息的基礎，同時(shí)對雷達設計具有很大的現實(shí)指導價(jià)值。

在量子雷達相關(guān)技術(shù)中，量子雷達信號與目標相互作用機理，不同目標對信號光子狀態(tài)的“調制”作用以及傳播信道對量子態(tài)的改變作用等問(wèn)題是目標探測與識別的理論基礎。因此，量子雷達目標散射特性研究是量子雷達相關(guān)技術(shù)研究探索過(guò)程中必不可少的重要內容。

微觀(guān)量子操控與宏觀(guān)應用的“接口”

量子雷達基于對電磁場(chǎng)的量子態(tài)操作和控制實(shí)現對目標的探測、測量和成像，然而微觀(guān)量子信息是很難被人們直接“感知”的。為了實(shí)現量子雷達技術(shù)的實(shí)際應用，需要研究微觀(guān)量子信息與宏觀(guān)物理量之間的對應以及如何將宏觀(guān)問(wèn)題轉化為量子微觀(guān)問(wèn)題來(lái)解決，即微觀(guān)量子操控與宏觀(guān)探測應用的“接口”是量子雷達 技術(shù)走向實(shí)際應用需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

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