科普 · 看懂量子雷达

2017-04-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

在介绍量子雷达之前首先科普下量子和量子纠缠:

量子(quantum)是现代物理的重要概念。最早是德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。

量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,虽然粒子在空间上可能分离。纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠,即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用”(spooky action at a distance) 。但这并不仅仅是个诡异的预测,而是已经在实验中获得的现象。

中科大量子信息实验室的老大郭光灿院士曾经打过一个比方比喻,说在美国的女儿生下孩子那一瞬间,远在中国的母亲就变成了姥姥,即便她自己还不知道。之所以她是姥姥别人不是,而且她一定会成为姥姥,就是因为她和女儿之间有一种“纠缠”关系。

研究现状

量子雷达是21世纪后萌发的新概念武器系统,为了应对隐形战机逐渐普遍化的世界,防守方需要对抗的需求。

2008年美国麻省理工学院的Lloyd教授首次提出了量子远程探测系统模型。2012年美国罗切斯特大学光学研究所的研究团队声称研发出一种抗干扰的量子雷达理论,这种雷达利用光子碰触到目标后产生的量子态变换来侦测,可以表征量子“涨落变化”等微观资讯,所以整个量子雷达灵敏度极高,噪声基底极低,又几乎不可能被电波干扰装置扰乱,再加上能忽略工作频段、杂波等,此种雷达探测隐形战机的范围理论上可达数十倍。

2012年东京大学的团队采用超导回路,取得了微波频段单光子态与后续压缩态产生、接收技术的元件新突破。2013年意大利的Lopaeva博士在实验室中达成量子雷达成像探测,证明其有实战价值的可能性。

2016年8月中国电科14所“智慧感知技术重点实验室”发布成功研制单光子检测量子雷达系统成品,在中国科学技术大学、中国电科27所以及南京大学等协作单位的共同努力下,完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证,并且在外场完成真实大气环境下探测试验,获得了百公里级探测威力,探测灵敏度极大提高,指标均达到预期效果。

分类

1、量子雷达发射非纠缠的量子态电磁波。发射机发射单光子脉冲探询目标可能存在的区域,如果目标存在,则信号光子将会以一定的概率返回至接收机处,通过对返回光子状态的测量可以提取出目标信息。

2、量子雷达发射纠缠的量子态电磁波。其探测过程为利用泵浦光子穿过(BBO)晶体,通过参量下转换产生大量纠缠光子对,各纠缠光子对之间的偏振态彼此正交,将纠缠的光子对分为探测光子和成像光子,成像光子保留在量子存储器中,探测光子由发射机发射经目标反射后,被量子雷达接收,根据探测光子和成像光子的纠缠关联可提高雷达的探测性能。与不采用纠缠的量子雷达相比,采用纠缠的量子雷达分辨率以二次方速率提高。

3、雷达发射经典态的电磁波。在接收机处使用量子增强检测技术以提升雷达系统的性能,目前,该技术在激光雷达技术中有着广泛的应用。

其他

为了占领战略制高点,洛克希德·马丁公司已经在2008年申请了相关的专利,该专利设想了纠缠不同的用途。目前的雷达系统变得和范围的增加用处不大,因为频率需要长距离传输不太敏感。根据专利这个问题可以通过在不同的频率缠结的光,然后一起发送出来作为束被除去。该专利表示:“纠缠雷达波可以进行更有效的传播较低频率结合一个或多个颗粒具有相对高的频率分辨率,与一种或多种的颗粒。” 然后,雷达波束可能会“通过传播不同类型的介质,解决不同类型的目标。

量子雷达是将量子信息技术引入经典雷达探测领域,解决经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈,提升雷达的综合性能。量子雷达属于一种新概念雷达,首要应用是实现目标有无的探测,在此基础上可以进一步扩展应用领域,包括量子成像雷达、量子测距雷达和量子导航雷达等,从本质上来说,量子雷达并没有脱离经典雷达探测的框架体系,只是在利用量子理论进行系统分析时,对雷达中一些概念和物理现象,如接收机噪声等,具有全新的、更准确的理解。在此基础上,量子雷达从信息调制载体和检测处理等方面入手,提升雷达的性能。总体而言,量子雷达是对经典雷达理论的更新和补充,而不是颠覆和取代。(来源:电波之矛)

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