科普 · 看懂量子雷達(dá)

2017-04-03 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在介紹量子雷達(dá)之前首先科普下量子和量子糾纏:

量子(quantum)是現(xiàn)代物理的重要概念。最早是德國(guó)物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出的。他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的,只能取能量基本單位的整數(shù)倍。后來(lái)的研究表明,不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì),其他物理量諸如角動(dòng)量、自旋、電荷等也都表現(xiàn)出這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象。這同以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界。

量子糾纏是粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象,雖然粒子在空間上可能分離。糾纏是關(guān)于量子力學(xué)理論最著名的預(yù)測(cè) 。它描述了兩個(gè)粒子互相糾纏,即使相距遙遠(yuǎn)距離,一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。當(dāng)其中一顆被操作(例如量子測(cè)量)而狀態(tài)發(fā)生變化,另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。愛(ài)因斯坦將量子糾纏稱(chēng)為“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”(spooky action at a distance) 。但這并不僅僅是個(gè)詭異的預(yù)測(cè),而是已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中獲得的現(xiàn)象。

中科大量子信息實(shí)驗(yàn)室的老大郭光燦院士曾經(jīng)打過(guò)一個(gè)比方比喻,說(shuō)在美國(guó)的女兒生下孩子那一瞬間,遠(yuǎn)在中國(guó)的母親就變成了姥姥,即便她自己還不知道。之所以她是姥姥別人不是,而且她一定會(huì)成為姥姥,就是因?yàn)樗团畠褐g有一種“糾纏”關(guān)系。

研究現(xiàn)狀

量子雷達(dá)是21世紀(jì)后萌發(fā)的新概念武器系統(tǒng),為了應(yīng)對(duì)隱形戰(zhàn)機(jī)逐漸普遍化的世界,防守方需要對(duì)抗的需求。

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。2012年美國(guó)羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)研發(fā)出一種抗干擾的量子雷達(dá)理論,這種雷達(dá)利用光子碰觸到目標(biāo)后產(chǎn)生的量子態(tài)變換來(lái)偵測(cè),可以表征量子“漲落變化”等微觀資訊,所以整個(gè)量子雷達(dá)靈敏度極高,噪聲基底極低,又幾乎不可能被電波干擾裝置擾亂,再加上能忽略工作頻段、雜波等,此種雷達(dá)探測(cè)隱形戰(zhàn)機(jī)的范圍理論上可達(dá)數(shù)十倍。

2012年?yáng)|京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)采用超導(dǎo)回路,取得了微波頻段單光子態(tài)與后續(xù)壓縮態(tài)產(chǎn)生、接收技術(shù)的元件新突破。2013年意大利的Lopaeva博士在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)成量子雷達(dá)成像探測(cè),證明其有實(shí)戰(zhàn)價(jià)值的可能性。

2016年8月中國(guó)電科14所“智慧感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”發(fā)布成功研制單光子檢測(cè)量子雷達(dá)系統(tǒng)成品,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,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)境下探測(cè)試驗(yàn),獲得了百公里級(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。

分類(lèi)

1、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(xún)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(guò)對(duì)返回光子狀態(tài)的測(cè)量可以提取出目標(biāo)信息。

2、量子雷達(dá)發(fā)射糾纏的量子態(tài)電磁波。其探測(cè)過(guò)程為利用泵浦光子穿過(guò)(BBO)晶體,通過(guò)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。

3、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。

其他

為了占領(lǐng)戰(zhàn)略制高點(diǎn),洛克希德·馬丁公司已經(jīng)在2008年申請(qǐng)了相關(guān)的專(zhuān)利,該專(zhuān)利設(shè)想了糾纏不同的用途。目前的雷達(dá)系統(tǒng)變得和范圍的增加用處不大,因?yàn)轭l率需要長(zhǎng)距離傳輸不太敏感。根據(jù)專(zhuān)利這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在不同的頻率纏結(jié)的光,然后一起發(fā)送出來(lái)作為束被除去。該專(zhuān)利表示:“糾纏雷達(dá)波可以進(jìn)行更有效的傳播較低頻率結(jié)合一個(gè)或多個(gè)顆粒具有相對(duì)高的頻率分辨率,與一種或多種的顆粒?！?然后,雷達(dá)波束可能會(huì)“通過(guò)傳播不同類(lèi)型的介質(zhì),解決不同類(lèi)型的目標(biāo)。

量子雷達(dá)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(wú)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(lái)說(shuō),量子雷達(dá)并沒(méi)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。(來(lái)源:電波之矛)

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