上月，中國(guó)電科首部基于單光子檢測(cè)的量子雷達(dá)系統(tǒng)在14所研制成功，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該量子雷達(dá)系統(tǒng)由中國(guó)電科14所智能感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制，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，經(jīng)過不懈的努力，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)境下目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)，獲得百公里級(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，取得階段性重大研究進(jìn)展與成果。

國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)相繼在量子通信和量子計(jì)算上取得技術(shù)突破后，中國(guó)在量子雷達(dá)領(lǐng)域再下一城。那么，和經(jīng)典雷達(dá)相比量子雷達(dá)又有何特殊之處呢?

量子雷達(dá)團(tuán)隊(duì)外場(chǎng)合影

量子雷達(dá)不是對(duì)經(jīng)典雷達(dá)的顛覆

雷達(dá)最早在二戰(zhàn)期間得到大規(guī)模應(yīng)用，特別是在不列顛空戰(zhàn)中，英國(guó)皇家空軍依靠雷達(dá)的輔助對(duì)德國(guó)空軍造成較大殺傷。當(dāng)時(shí)的雷達(dá)單純利用發(fā)射的電磁波信號(hào)，經(jīng)過目標(biāo)表面散射后，通過判斷接收信號(hào)的能量，來識(shí)別、判斷目標(biāo)。不過，這種雷達(dá)的信息載體只能通過信號(hào)的絕對(duì)幅度或幅度的變化來體現(xiàn)，檢測(cè)機(jī)理就是簡(jiǎn)單的能量檢測(cè)，無法區(qū)分雜波和目標(biāo)，分不清在空中飛舞的錫箔條和真正的戰(zhàn)機(jī)，信息利用方式單一，因此，應(yīng)用領(lǐng)域受到較大的限制。

隨著技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)也不斷發(fā)生變化，從單純利用信號(hào)的強(qiáng)度信息，演化為綜合利用電磁信號(hào)的頻率和相位信息，即電磁場(chǎng)的二階特性。通過發(fā)射電磁波二階特性的應(yīng)用，在調(diào)制方式上，出現(xiàn)了線性調(diào)頻、相位編碼和捷變頻等復(fù)雜信號(hào)形式，這些信號(hào)形式有效解決了傳統(tǒng)雷達(dá)時(shí)寬與帶寬的矛盾，并提升雷達(dá)抗干擾、抗雜波的能力。在檢測(cè)技術(shù)上，催生了動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)、空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)和脈沖多普勒體制，這些技術(shù)利用目標(biāo)和雜波在多普勒域上的差異，實(shí)現(xiàn)雜波中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的有效檢測(cè)，提升雷達(dá)抗雜波能力。

量子雷達(dá)則是將量子信息技術(shù)引入經(jīng)典雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域，解決經(jīng)典雷達(dá)在探測(cè)、測(cè)量和成像等方面的技術(shù)瓶頸，提升雷達(dá)的綜合性能。量子雷達(dá)屬于一種新概念雷達(dá)，首要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)有無的探測(cè)，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，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，從本質(zhì)上來說，量子雷達(dá)并沒有脫離經(jīng)典雷達(dá)探測(cè)的框架體系，只是在利用量子理論進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，對(duì)雷達(dá)中一些概念和物理現(xiàn)象，如接收機(jī)噪聲等，具有全新的、更準(zhǔn)確的理解。在此基礎(chǔ)上，量子雷達(dá)從信息調(diào)制載體和檢測(cè)處理等方面入手，提升雷達(dá)的性能?？傮w而言，量子雷達(dá)是對(duì)經(jīng)典雷達(dá)理論的更新和補(bǔ)充，而不是顛覆和取代。

量子雷達(dá)的分類

根據(jù)利用量子現(xiàn)象和光子發(fā)射機(jī)制的不同，量子雷達(dá)主要可以分為以下3個(gè)類別：

一是量子雷達(dá)發(fā)射非糾纏的量子態(tài)電磁波。發(fā)射機(jī)發(fā)射單光子脈沖探詢目標(biāo)可能存在的區(qū)域，如果目標(biāo)存在，則信號(hào)光子將會(huì)以一定的概率返回至接收機(jī)處，通過對(duì)返回光子狀態(tài)的測(cè)量可以提取出目標(biāo)信息。

二是量子雷達(dá)發(fā)射糾纏的量子態(tài)電磁波。其探測(cè)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(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。

三是雷達(dá)發(fā)射經(jīng)典態(tài)的電磁波。在接收機(jī)處使用量子增強(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)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。中電14所實(shí)際上應(yīng)用的是上述三種模式中的一種。

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(hào)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。

處于國(guó)際先進(jìn)水平

據(jù)專家披露，其實(shí)相關(guān)研究已經(jīng)做了很多年，之前做的量子成像方面的工作，并沒有在單光子水平上，而是用光的高階關(guān)聯(lián)特性實(shí)現(xiàn)的成像，確實(shí)有突破云霧等的特點(diǎn)，但成像過程還是比較復(fù)雜的，流程也較漫長(zhǎng)，實(shí)用性還有待發(fā)展，而且很難說叫量子成像?？梢哉f，本次實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破是多年技術(shù)積累的結(jié)果，并非為了追趕近期“墨子”號(hào)掀起的量子熱。

本次技術(shù)突破屬于量子探測(cè)領(lǐng)域，特點(diǎn)就是突破現(xiàn)在測(cè)量方法的經(jīng)典極限(例如光的衍射極限等)，是業(yè)界比較看好的技術(shù)(誠(chéng)然，也有學(xué)者對(duì)此有異議)。世界各國(guó)對(duì)此也都有研究，而且技術(shù)發(fā)展較快——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—量子照射雷達(dá)，從理論上證明了量子力學(xué)可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)。2012年，東京大學(xué)的Nakamura和Yamamoto采用超導(dǎo)回路，取得了微波頻段單光子態(tài)和壓縮態(tài)產(chǎn)生與接收技術(shù)的新突破。2013年，意大利的Lopaeva等首次用實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了量子照射雷達(dá)，該實(shí)驗(yàn)基于光子數(shù)關(guān)聯(lián)，驗(yàn)證了Lloyd提出的量子照射雷達(dá)模型探測(cè)在高噪聲及高損耗時(shí)依然有目標(biāo)探測(cè)能力;2015年，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Shabir Barzanjeh等對(duì)微波量子照明探測(cè)進(jìn)行了深入研究。

目前，中國(guó)在該領(lǐng)域僅僅處于技術(shù)先進(jìn)水平，還不是領(lǐng)先狀態(tài)，革命尚未成功，同志們?nèi)孕枧Α?/p>

(感謝業(yè)內(nèi)專家對(duì)本文的指導(dǎo)!作者微信公眾號(hào)：tieliu1988)

參考文獻(xiàn)：

《基于幾率波探測(cè)下的量子雷達(dá)系統(tǒng)原理》譚宏，趙明旺，張國(guó)安

《量子雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的基本原理與進(jìn)展》江濤，孫俊