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。