量子雷达,谁才是世界第一?

光子盒研究院出品


2020年5月,麻省理工科技评论称,一个由多国科学家组成的研究小组利用纠缠微波光子创造了世界上第一个量子雷达系统。


然而,央企中国电科早在2016年8月宣布了首部基于单光子检测的量子雷达系统在14所研制成功,并在2018年的珠海航展上展示了实物。


那么,量子雷达,谁才是世界第一?


什么是量子雷达?


1934 年,美国海军研究实验室开发了世界上首部脉冲雷达之后,世界各国竞相发展了雷达技术,并一直在不断的完善、改进和探索。


如要提高雷达的精确性并获得高质量的图像,雷达需发射更高频率的电磁波,然而经典雷达受到了经典电磁波理论的限制,所以需要发展一种新的雷达体制——量子雷达。


从概念上讲,量子雷达是将量子信息调制到雷达信号中,发射/接收量子信号从而实现目标探测的量子传感器,可用于探测、识别和分辨射频隐身平台和武器系统等,并且理论上探测距离极远,可用于行星防御和空间探测。


简单来说,经典雷达通过发射电磁信号并接收目标反射的回波信号来感知目标位置、速度等信息。而量子雷达只将少数几个甚至一个光子作为信息载体对目标进行探测,利用的是光的粒子特性。


以隐形飞机为例,飞机依靠特殊的油漆和机身设计来吸收和偏转无线电波,使其对传统雷达不可见。但当它拦截量子雷达所发出光子后,光子原来的量子特征会被破坏,而由于光子的不可复制性,隐形飞机所发出的虚假信号也不能重新模拟出之前光子的物理特征。量子雷达只要通过对目标反射回来的单光子状态进行识别,就能识破其干扰行为。


此外,量子雷达可发射纠缠态的电磁波,将纠缠光子对其中一个作为成像光子,另一个作为探测光子。进行探测时,成像光子留在量子存储器中,探测光子被发射出去,经目标反射后被量子雷达重新接受。这样根据量子纠缠的原理,通过比较纠缠光子对中两光子各自的量子状态,可显著提高雷达的探测性能。


与经典雷达相比,除了不易受干扰,量子雷达同时具有灵敏度更高、隐蔽性更强的优点。


经典雷达通过向目标发射电磁信号并接收目标调制的回波信号来实现测量。测量的精度(如距离、角度和速度等)信噪比极限为N,N为信号中的探测到的平均光子数。由此,经典雷达的测量精度极限为1/√N,由散粒噪声导致,称之为标准量子极限。


而量子测量的极限受限于量子世界的基本准则——不确定性原理,称海森堡极限。


如果在测量过程中采取一些策略,则测量灵敏度将有可能突破标准量子极限,并接近海森堡极限,即1/N。当测量的灵敏度优于标准量子极限并接近海森堡极限时,则称其为超灵敏测量。



量子雷达的另一个好处是:由于它们发射的能量(光子)很少,因此很难被探测到。


现代所有的雷达都发射电磁辐射来探测物体。这种辐射也能使雷达本身被探测到。这很像在黑暗的房间里有很多人拿着手电筒,打开手电筒可以让你找到其他人,但是手电筒的光束会直接回到你的身上,暴露出你的存在和位置。


量子雷达不易受干扰、灵敏度更高、隐蔽性更强的优点,具有很强的现实意义。


2012年,在美国DARPA单光量子信息项目(Information in a Photon)的资助下,罗切斯特大学光学研究所成功研发出一种抗干扰的量子雷达,利用偏振光子的量子特性来对目标进行探测和成像。


该研究团队宣称,由于任何物体在收到光子信号之后都会改变其量子特性,这种雷达可轻易探测到隐身飞机,而且几乎不可被干扰。



量子雷达的分类


早在1966年,P. A. Bakut首次提出在雷达系统中使用量子信号的可行性论证,在20世纪80年代,不断涌现出突破标准量子极限的研究进展。1991年,美国海军提出了一种专利即利用量子探测器来提高传统雷达的灵敏度。


继而催生了量子测距、量子同步、量子传感和量子成像等新兴研究领域,并引起了美国国防高级研究计划局(DARPA) 的关注,DARPA在2007年启动了量子传感项目(Quantum Sensor Program,QSP)和量子激光雷达项目(Quantum Lidar),标志着量子雷达研究领域的正式形成。


21世纪初,以麻省理工学院、路易斯安那州立大学、西北大学、德克萨斯大学、雷神BBN公司、哈里斯公司和ITT公司等研究团队为代表的研究人员提出了多种不同体制的量子雷达方案,主要包括干涉式量子雷达(interferometric quantum radar)、接收端量子增强激光雷达(quantum enhanced lidar)和量子照射(quantum illumination)。


最早被提出的干涉式量子雷达使用非经典光源(纠缠或压缩)照射目标区域,在接收端进行经典的相干检测。利用光源的量子特性,可以使雷达系统的距离分辨能力和角分辨能力突破经典性能极限。


我们可以通过Mach-Zender干涉仪进行相位测量。在该干涉仪中,来自输入端光源的光被分成两束,经两个不同的镜子反射后到达输出检测器(屏幕)。通过测量两束光在输出端的相位差,可以确定目标的距离。


Mach-Zender干涉仪


但是,通过研究发现,干涉式量子雷达的性能易受损耗、大气的影响。因此,在量子传感器项目的后期,DARPA将研究重点转向了接收端量子增强激光雷达


这种量子雷达与干涉式量子雷达不同,它采用经典光源扫描目标区域,在接收处理中,利用微观量子所具有高纬度相参特性,达到提高雷达的角度分辨率和增加雷达探测距离的目的。


接收端量子增强激光雷达是目前三种量子雷达方案中发展最快的一种方案,但理论上性能最好的方案是量子照射雷达。


量子照射雷达在发射信号中使用非经典光源扫描目标区域,在接收处理中,利用量子高纬度相参特性,进行量子最优联合检测,从而实现目标的高灵敏探测。


从2008年麻省理工学院的Seth Lloyd提出了基于量子照射的目标探测方案以来,MIT的研究团队研究了基于高斯态的量子照射、量子照射目标探测系统接收机设计、量子照射目标探测系统的角分辨能力等问题。


目前的理论和实验研究表明,即使因为真实环境导致信号具有加大损耗,且存在背景噪声的条件下,基于量子照射的目标探测系统依然具有高灵敏度的优异特性。


量子照射示意图


简单地说,干涉式量子雷达只在发射端采用非经典态(量子态)信息处理技术;接收端量子增强雷达只在接收端采用非经典态(量子态)信息处理技术;量子照射雷达发射端和接收端都采用非经典态(量子态)信息处理技术机都采用量子技术。


而相比之下,量子照射技术实现要复杂得多,但能极大突破现有雷达性能的极限,受到更大关注,近些年国内外的研究大都集中于后者。


另外,根据探测信号形式的不同,量子雷达可以分为单光子探测量子雷达和多光子探测量子雷达。前者为一种理想的探测方案,其优点是几乎不受干扰,缺点是实现困难;后者虽然会受到一定程度的干扰,但实现起来相对容易些,具有更大的现实意义。


谁才是世界第一?


现在可以回答开篇时的问题了。一般来说,世界上第一个量子雷达系统是2012年罗切斯特大学研发的量子雷达,但技术处于非常早期的阶段。而今年5月宣布的量子雷达是世界上第一个微波量子照射雷达。


量子照射雷达方案于2008年提出,2013年意大利的Lopaeva等首次用实验方法实现了量子照射雷达,该实验基于光子数关联,验证了Lloyd提出的量子照射雷达模型探测在高噪声及高损耗时依然有目标探测能力。


2015年,当时还在德国亚琛工业大学的Shabir Barzanjeh对微波量子照射探测进行了深入研究。Barzanjeh现在是加拿大卡尔加里大学的副教授,也是今年5月发表的微波量子照射雷达文章的第一作者。



这项研究由奥地利科学技术研究所(IST)的Johannes Fink教授研究小组发起,Barzanjeh也是成员之一。另外,还有来自美国麻省理工学院、英国约克大学和意大利卡梅里诺大学的合作者。研究人员展示了一种称为“微波量子照射”(microwave quantum illumination)的新型探测技术,它利用纠缠微波光子作为探测方法。


该系统从一个约瑟夫森参量转换器(JPC)开始,该转换器位于一个稀释冰箱内,它在仅高于绝对零度以上千分之一度(-273.14摄氏度)的寒冷温度下产生纠缠微波光子。



研究人员用两组光子纠缠在一起,这两组光子被称为信号光子和闲置光子,而不是使用传统的微波。信号光子被发射到探测目标,而闲置光子是在相对隔离的情况下测量的,没有干扰和噪声。


当信号光子被反射回来时,信号光子和闲置光子之间的量子纠缠会丢失,但仍存在少量的相关性,以明确区分反射信号光子和背景噪声,从而产生一个特征或图案,描述目标物体的存在或不存在。


量子雷达受背景噪声的影响较小,并且功耗低,在探测远距离的目标时不会暴露自己。研究人员认为,该技术在超低功耗生物医学成像和安全扫描仪方面具有潜在的应用前景。


回过头来再说中国的量子雷达。早在2016年8月,中国电科宣布了首部基于单光子检测的量子雷达系统在14所研制成功,达到国际先进水平。


中国电科称“该量子雷达系统由中国电科14所智能感知技术重点实验室研制,在中国科技大学、中国电科27所和南京大学等协作单位的共同努力下,经过不懈的努力,完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证。”


研究人员在外场完成真实大气环境下目标探测试验,获得百公里级探测威力,探测灵敏度极大提高,指标均达到预期效果,取得阶段性重大研究进展与成果。


2018年11月举办的第12届珠海航展上,中国电科首次公开展示首部单光子检测量子雷达样机。据工作人员介绍,属于量子增强型激光雷达。



据“中外舰闻”分析,该雷达是一部基于单光子检测的,工作在近红外光谱的量子增强技术的激光雷达。属于第二类量子增强型雷达和第三类量子照射雷达之间的产品。基于光的波粒二相性,为了提高探测介质的粒子特性而使用近红外频段的激光雷达,同时在接收端使用了量子增强技术。但由于未使用量子纠缠的技术,所以尚未达到真正的第三种量子照射雷达的阶段。


实用性也有待商榷,100公里的探测能力不足以提供隐形飞机或导弹的防空需求,需要更大的探测范围才能达到最佳军事用途。


客观地说,今年5月由奥地利科学技术研究所提出的微波量子照射雷达系统,是一种更先进的量子雷达。不过,量子雷达总体上仍处在研究初期,还必须克服一些问题,目前没有一台具备实用性的量子雷达。


量子雷达的一个主要障碍是量子退相干问题,长时间暴露在外界环境中,量子系统就会失去其量子行为。这对现有的量子雷达系统施加了距离限制,因为距离越长,暴露在周围环境中的时间就越长。


国防科技大学国家安全与军事战略研究中心军事专家王群教授说:“量子雷达的研究总体上还非常初级,基本处在实验验证阶段,远未满足技术推广的程度和要求。”


比如,2007年以来,美国国防承包商洛克希德·马丁公司就一直试图建造自己的用于远程探测的量子雷达,但没有公开的部署报告。


近年来在一些媒体报道中,多次提到“世界上第一个量子雷达系统”的字眼。实际上,目前各国对量子雷达的研究几乎处在同一起跑线上,因此“世界第一”尚不具备现实意义。


-End-


1930年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”,公众号名称正源于此。

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