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“世界上第一个量子雷达系统”是谁?

2020-10-13 15:59
光子盒
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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,谁才是世界第一?

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,谁才是世界第一?

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