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(tǒng)雷達技術與量子信息技術相結合，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)操作和控制實現目標探測、測量和成像的遠程傳感器系統(tǒng)。

 

量子雷達利用光子的量子特性來對目標進行成像，由于任何物體（如隱形飛機）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(tǒng)干擾，因此量子雷達的安全性高。該技術的原理與量子通訊的加密技術相當類似，在竊聽者試圖擷取、干擾光子攜帶的訊息時，因光子特性遭到改變，反而讓竊聽者暴露自己的位置。

 

量子雷達通過將量子信息技術引入經典雷達探測領域，解決了經典雷達在探測、測量和成像等方面的技術瓶頸，提升了雷達的綜合性能。其首要應用是實現目標有無的探測，在此基礎上可以進一步擴展應用領域，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、量子雷達與經典雷達的區(qū)別

相對于傳統(tǒng)雷達，量子雷達以電磁場微觀量子作為信息載體，發(fā)射由少量數目光子組成的探測信號，光子與目標相互作用過程遵循量子電動力學規(guī)則，接收端采用光子探測器進行接收，并通過量子系統(tǒng)狀態(tài)估計與測量技術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

 

具體來說，量子雷達區(qū)別于經典雷達的特點主要包括：

 

①、信息載體與信號體制不同

經典雷達基于電磁波的波動性，對其在時域、頻域、 極化域進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，利用回波信號宏觀的相參特征實現目標參數的估計；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、發(fā)射機與接收機結構和器件不同

在量子雷達領域，量子效應將導致傳統(tǒng)器件無法有效工作，從而需研究設計符合量子電動力學規(guī)則的量子器件．由此，經典雷達系統(tǒng)噪聲在量子雷達系統(tǒng)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，量子雷達與經典雷達有諸多不同，但從本質上來說，量子雷達仍屬于傳統(tǒng)雷達探測與成像的理論體系范疇，量子雷達是對傳統(tǒng)雷達技術的發(fā)展和補充，而不是顛覆和取代。從廣義上來說，我們在討論量子雷達技術時，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 果能夠使量子雷達工作于傳統(tǒng)雷達頻段，尤其是微波頻段，那么量子雷達將具有全天時、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

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 達分為以下三個類別。

 

量子增強雷達

雷達發(fā)射經典態(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以提升雷達系統(tǒng)的性能，目前該技術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頻基準傳遞的量子增強陣列雷達。

 

量子糾纏雷達

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

 

量子衍生雷達

借鑒于量子物理理論或其數學思想發(fā)展而來，可以顯著提升傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)的性能但并不依靠真實量子物理體系來實現，目前在雷達成像領域發(fā)展較快。

 

量子成像又稱“鬼成像”，是量子光學的一個重要分支，其利用光場的量子相干性和不確定性，采用二階（高階）關聯方法是實現對目標的成像，因此也稱為關聯成像。其探測過程為利用泵浦光子穿過（BBO）晶體，通過參量下轉換產生大量糾纏光子對，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，探測光子由發(fā)射機發(fā)射經目標反射后，被量子雷達接收，根據探測光子和成像光子的糾纏關聯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：發(fā)射機發(fā)射單光子或糾纏光子脈沖探詢目標可能存在的區(qū)域，如果目標存在，則信號光子將會以一定的概率返回至接收機處，通過對返回單個光子狀態(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)點是幾乎不受干擾，缺點是實現困難。

 

多光子探測量子雷達：發(fā)射機發(fā)射相干態(tài)電磁波或糾纏態(tài)電磁波，利用發(fā)射信號中多個光子的關聯性進行目標探測，接收機處通過對單個光子狀態(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，它雖然會受到一定程度的干擾，但實現起來相對容易些，具有更大的現實意義。

 

 

 

四、量子雷達的技術優(yōu)勢

目前，經典雷達存在一些缺點，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較差；三是成像能力相對較弱；四是信號處理復雜，實時性弱。針對經典雷達存在的技術難點，量子信息技術均存在一定的技術優(yōu)勢，可以通過與經典雷達相結合，提升雷達的探測性能。

 

首先，量子信息技術中的信息載體為單個量子，信號的產生、調制和接收、檢測的對象均為單個量子，因此整個接收系統(tǒng)具有極高的靈敏度，即量子接收系統(tǒng)的噪聲基底極低，相比經典雷達的接收機，噪聲基底能夠降低若干個數量級。再忽略工作頻段、雜波和動態(tài)范圍等實現因素，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，量子信息技術中的調制對象為量子態(tài)，相比較經典雷達的信息調制對象，量子態(tài)可以表征量子“漲落變化”等微觀信息，具有比經典時、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，通過高階信息調制，可以在不影響積累得益的前提下，進一步壓低噪聲基底，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)，通過對信號進行量子高階微觀調制，使得傳統(tǒng)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)境下的抗偵聽能力。綜合而言，通過量子信息技術的引入，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

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

 

1967 年，在量子力學、傳統(tǒng)檢測與估計理論以及經典信息論的基礎上，C.W.Helstrom 等人研究了量子檢測與估計理論以突破傳統(tǒng)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)展的時間不過短短的 10 多年。

 

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

 

美軍 F-22 隱形戰(zhàn)機

 

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

 

2012 年美國羅切斯特大學光學研究所的研究團隊聲稱研發(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，此種雷達探測隱形戰(zhàn)機的范圍理論上可達數十倍。

 

2012 年東京大學的團隊采用超導回路，取得了微波頻段單光子態(tài)與后續(xù)壓縮態(tài)產生、接收技術的元件新突破。

 

2013 年意大利的 Lopaeva 博士在實驗室中達成量子雷達成像探測，證明其有實戰(zhàn)價值的可能性。

 

2016 年 8 月中國電科 14 所“智慧感知技術重點實驗室”發(fā)布成功研制單光子檢測量子雷達系統(tǒng)成品，在中國科學技術大學、中國電科 27 所以及南京大學等協(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驗驗證，并且在外場完成真實大氣環(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)現現役的隱形戰(zhàn)機。

 

 

 

對此，有專家表示，中國量子雷達的相關研究已做多年，以往在量子成像方面的工作，并沒有在單光子的水平上，而是用光的高階關聯特性實現成像。雖然能突破云霧等干擾，但成像過程還是比較復雜，流程也較漫長，實用性還有待發(fā)展，很難說叫量子成像。而現在單光子量子雷達技術突破，是多年技術積累的結果。目前，中國在量子雷達領域僅處于技術先進水平，還不是領先狀態(tài)。

 

近年來，隨著量子信息技術的飛速發(fā)展，量子雷達技術迎來了新的研究高潮，瞄準反隱身探測、電 子抗干擾等領域的應用潛力，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子方向進展迅速。

 

六、未來量子雷達的研究發(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題尚不明晰，相關理論、技術、系統(tǒng)的研究方興未艾，理論研究成果到實際系統(tǒng)應用還存在很大距離。未來其研究發(fā)展趨勢主要包括以下四點。

 

微觀量子態(tài)制備與檢測

量子雷達發(fā)射機和接收系統(tǒng)設計是量子雷達系統(tǒng)設計的核心，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，雖然量子糾纏產生與檢測理論研究已相當完善，在實驗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)，其產生與探測仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，可以預見，結合超材料技術有望解決這一重要難題。

 

獲取量子系統(tǒng)信息

由量子雷達基本定義及其工作原理可知，探測信號產生、雷達與目標相互作用、目標回波檢測等過程都應當視為對量子系統(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。

 

與經典統(tǒng)計信號處理理論相對應，需要研究量子系統(tǒng)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，同時對雷達設計具有很大的現實指導價值。

 

在量子雷達相關技術中，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技術研究探索過程中必不可少的重要內容。

 

微觀量子操控與宏觀應用的“接口”

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

 

上述幾個方面都具有重要的研究價值，如有突破將對量子雷達發(fā)展產生重要的推動作用。