量子雷达发展前景

战略前沿技术

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来源：国际电子战

作者：意达不溜

对量子雷达感兴趣的人首先应该知道的是，这是一个极其复杂的话题，涉及到尚未完全建立或未被彻底理解的物理科学，许多人只能用方程的语言来讨论，在某些方面甚至可能被认为是玄学。但是，量子物理处于科学知识的最前沿，世界上最伟大的一些学者正在研究这一课题。量子技术也是未来军事应用中最重要的技术之一，对战场空间的影响有可能超过隐身技术。

本文尝试描述和解释量子雷达技术的基本原理、可能的应用和带来的好处、技术实现过程中必须克服的一些挑战以及在可预见的未来最有可能实现的技术能力。

纠缠

对量子雷达技术的讨论应该从纠缠光子对开始。纠缠光子对是两个光子，每个都处于可测量物理特性（位置、动量、自旋、极化）的两个量子态之一。但是，一个光子的状态依赖于另一个光子的状态，即使它们彼此是分开的。纠缠光子对通常是由参量下转换过程产生的。激光束通过非线性晶体（通常是硼酸钡）的方法能在可见光范围内产生纠缠光子对，但对于量子雷达应用，这些光子必须向下转换为微波频率。加拿大滑铁卢大学量子计算研究所的Chris Wilson在其论文《量子增强噪声雷达》中描述了利用超导电路在微波范围内直接产生纠缠光子对的研究工作。Wilson采用非简并约瑟夫森参量放大器作为超导铝片上微波电路的量子微波源，这种方法面临的一个挑战是必须在极冷的低温恒温器（毫开尔文量级）中进行。

理论和实际

通常，媒体对量子雷达工作机理的阐述往往大相径庭。一种简单直接的说法是，当纠缠光子对被分开时，一个直接存储起来（闲置光子），而另一个被转换成微波频率（微波光子），并以传统的微波波形射向目标。微波光子在与目标相互作用时，其量子态将以一种或多种方式发生变化（例如相位或极化）。从目标处反射回来的信号被接收后，将微波光子转换回初始的频率，并与闲置光子进行比较，就可以获得目标的信息。

对量子雷达机理的另一种描述是“幽灵般超距作用”（爱因斯坦创造的术语），即纠缠光子对被分开时，一个以“光子束”的形式传输，而另一个则被保存下来。无论它们之间的距离有多远，两个光子之间都以某种方式保持着连续的、瞬时的信息同步。被传输的光子无需返回与保存的光子进行比较，保存的光子会直接随着传输光子所遇到的环境而改变其状态，从而在没有任何已知连接的情况下提供目标的信息。

洛马公司首席科学家Ned Allen博士表示，作为2005年DARPA战略技术办公室量子雷达概念审查项目的一部分，洛马公司召集了一批来自不同大学和其他顶级科学实体的专家，评估了“幽灵般超距作用”或“无回波雷达”的概念。团队经过研究后断定，这完全违反了爱因斯坦的狭义相对论，而狭义相对论比量子物理学更能经受住实验的检验。团队认为，“无回波雷达”是不符合物理定律的。然而，Allen也认识到物理学目前正处于一个动荡的时期，这些问题正在被重新审视。他指出，尽管目前还不清楚我们对物理学的了解是否足以完全排除这种可能性，但目前的物理学原理仍然不支持“无回波雷达”的出现。

量子雷达的类型

洛马公司的研究团队将量子雷达分为两大类：第一类是所有量子效应都发生在发射机/接收机中；第二类是“量子资源”（如光子）通过有损介质（如大气）从A点传输到B点。

Allen说，目前正在开发第一类量子雷达，但业界通常并没有直接称之为量子雷达，而称作是“用量子技术提高发射/接收模块中电子器件的灵敏度”，例如可以实现更好的低噪声放大器。滑铁卢大学量子计算研究所的Jonathan Baugh副教授对此表示赞同，并指出这是量子雷达系统开发所带来的近期效益之一，更灵敏的检测器和量子启发的信号处理方法可能适用于经典雷达的能力提升。

Allen指出，第一类量子雷达技术可以改善对隐身目标的探测。从数学的角度来看，隐身技术只是降低了目标的雷达散射截面积（RCS），而真正决定目标能否被探测的因素是信噪比。可以使用基于量子的接收机/发射机来降低雷达的内部噪声，这相当于增加了信噪比，从而可以检测到很小的目标。因此，第一类量子雷达可能有助于击败一些隐身技术。

根据纠缠光子对（闲置光子和传输光子）在时间和距离上保持相干性的程度，可以进一步对第二类量子雷达进行区分。在理想情况下，从目标返回的后向散射光子将完全保持相干性。这将允许对目标多方面的特性进行测量，而不仅局限于目标的存在性和多普勒效应。正如Allen所说：“量子相互作用过程的本质就是从无限多个维度上测量目标的存在，而不仅是振幅和相位。理论上，使用纠缠光束可以得到目标的完整动量矢量，即三个维度上目标运动的幅度，而不仅仅是径向的多普勒速度。”

这正是量子雷达为人们所津津乐道的光明前景。正如Allen所言：“如果完全纠缠的量子雷达光束确实能够在实际距离内成功发射和接收，这将意味着隐身技术的彻底失败。”虽然前景是光明的，但道路是曲折的。Allen继续说道：“要实现这种纯量子雷达，需要解决相干退化问题，而这并非易事。”相干退化是指传输光子在穿过损耗介质时引起纠缠光子的“量子属性”或“相干纠缠性”的损失。Allen说：“相干退化与热力学第二定律有着深刻的联系，但人类还没有真正理解这种联系。如果有人能找到克服相干退化的方法，那将是举世瞩目的成就。”洛马公司正在开展相关的研究工作，旨在克服相干退化问题。

光子通量

除了相干退化，量子雷达面临的另一个挑战是光子通量问题。光子通量是指单位时间内产生和传输的纠缠光子的数量。Baugh解释道：“假设每微秒发射一个光子，但只有千分之一或万分之一的光子能够被反射回来，则每毫秒左右才能探测到一个光子。为了建立可用的目标图像，需要以极快的速度发出光子才能产生足够的通量，以便在合理的时间内获得足够的信息。”

滑铁卢大学量子计算研究所的国家实验室

Baugh正在与加拿大国防研究与发展部共同开展一个研究项目，旨在开发一种改进的量子光源，以极高的速率提供纠缠光子。该技术的细节尚未公布，Baugh称这种量子光源是一种工作在单电子水平上的纳米半导体器件，能将电信号转换成光子或纠缠光子对。这种量子光源工作在光波段（波长约为850纳米，位于可见光的边缘），可以直接应用于激光雷达。但Baugh认为，最终的技术路径还是需要把光波通过相干量子波长转换变频到微波，世界各地的团队正致力于相干量子波长转换技术的研究。

虽然Baugh的量子光源也必须在冷却条件下才能工作，但这与产生微波光子所需的冷却程度相差甚远。Baugh希望这种量子光源能够在4开尔文的温度（相当于液氦的温度）下工作，实现这个温度要容易得多。

到目前为止，Baugh的团队已经演示了量子光源所涉及的独立组件，现在正在努力将这些组件集成到一个功能设备中，2019年内就可以进行系统功能演示。

量子照射雷达

纵观量子雷达技术的发展状况和可能的实现方法，最有前途的方法是量子照射雷达，这在可预见的未来是最有可能实现的方法。量子照射雷达不要求返回的传输光子与闲置光子保持相干性，但仍可以提供目标的信息。

加拿大国防研究与发展部雷达感知与利用团队的Bhashyam Balaji在他的论文《量子雷达：万金油还是好主意？》中写道：“一部分信号光子被反射回来，接收后可以与闲置光子进行相关处理。令人惊讶的结果是，在低信噪比条件下，原始的纠缠在灵敏度方面表现出了显著的优势。即使是在理论上，这个结果也相当具有吸引力，因为在低信噪比的情况下提高灵敏度一直是可望而不可及的目标，而纠缠和其他量子效应通常是脆弱的，容易受到噪声的破坏。尽管从目标区域收集到的后向散射微波光子与本地存储的闲置光子之间已不存在纠缠，但这种灵敏度优势仍然存在。”

Baugh指出，光子波束的相干退化程度取决于所采用的相关性。例如，极化纠缠的相干性很容易发生退化。你可以弃用极化纠缠，而选用时间相关性——同时产生两个光子，剔除掉其它时间片的光子。这两个光子虽然不是真正意义上的纠缠光子，但性能更加稳健。当然，这种方法需要解决光子损失的问题，其有效性取决于有多少光子被吸收或散射到大气中。在天基应用中这种方法会表现得更好。

Baugh认为，总体而言，量子照射雷达比传统雷达有很多优势。通常情况下，使用传统雷达、激光雷达或任何一种遥感技术，都需要发送一个能量脉冲，其中包含数十亿或数万亿个光子。目标会反射一部分电磁能量回到检测器，从而可以根据电磁脉冲的传输时间计算目标的距离，随着时间的推移，还可以计算出目标的速度和方向。相比之下，量子照射雷达工作在单光子水平，量子力学的原理为这些纠缠光子赋予了极强的相关性。如果信号光子被反射回来，就可以对这两个光子进行联合测量，判定这两个光子最初是否相关，这样就可以剔除掉来自背景噪声的光子。由于工作在非常低的功率电平（单光子），量子雷达可以极大地改善信噪比。

此外，Baugh还指出量子雷达的另一个优势，由于单光子波束功率电平很低，量子照射雷达可以在不暴露自身的情况下进行探测。量子雷达的功率比传统雷达或激光雷达低9～10个数量级，目标不会觉察到被照射，因为单位时间内用于探测目标的光子寥寥无几，几乎不可能被检测到。

尽管如此，Baugh还是认为量子照射雷达不会取代传统雷达，二者会在探测体系中实现优势互补。量子照射雷达可以作为传统雷达的补充，以应对传统雷达所不擅长的目标或场景，例如低信噪比环境以及隐身目标探测。

Balaji在2018年发表的一篇论文中总结了量子照射雷达的前景：“量子照射雷达肯定是可以实现的，但这需要协调一致的努力和适度的投资，还需要雷达工程师掌握微波量子光学。在最优量子雷达设计和最佳量子信号处理方面仍有很多未解之谜，但这并不妨碍我们做出更好的雷达。量子照射雷达有一些非常重要的应用，可以提供显著且独特的优势。”

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