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改变游戏规则的反隐身利器——量子雷达研究的新进展(下)

量子雷达,被喻为洞察千里的“火眼金睛”,能够有效探测隐身飞机和隐身导弹。相比传统雷达,量子雷达可在复杂背景噪声干扰中剥离出探测目标,且“精准无比”,即便是隐身战机,量子雷达也可对其行踪做出准确判断,强大的反隐身技能使其成为隐身战机的“克星”

上一篇文章,重点研究了干涉式量子雷达近几年的发展状况、方向及应用。本篇将继续介绍接收端量子增强雷达以及量子照明雷达。通过研究可以看出,量子雷达能够突破标准量子极限,提高测量精度,实现超灵敏探测,可用于传统目标探测和识别,以及探测射频隐身平台和武器装备等。

▋ 接收端量子增强雷达

一般来说,遥感系统可以同时在横向和纵向上获得目标的空间信息,因此,具有高分辨率的空间信息对目标分类、图像处理和目标跟踪是必不可少的。在晴朗的天空下,由于激光波长比微波更短,激光雷达系统在1-100 km范围内的地面应用具有更高的空间分辨能力。为了进一步提高激光雷达的空间分辨率,人们引入了非经典态,虽然光的量子特性在有损耗的环境中会被破坏,但是将非经典效应用于光学接收机仍旧会获得比普通接收系统更好的性能。为了避免发射的量子态信号与目标相互作用而产生消相干作用,因此,量子增强雷达采用与普通激光雷达完全相同的发射端,而在接收端使用了量子增强技术,故该方案可通过改装激光雷达来实现。

最开始是由Dutton等人在2010年提出利用压缩光来提高激光雷达成像信噪比,其装置图如上图所示。该系统发射经典相干光,但在接收端进行压缩真空注入(Squeezed vacuum injection, SVI)来降低接收端输出的真空噪声,同时引入相位敏感放大(Phase sensitive amplification, PSA)对接收信号进行无噪声放大来提高信号信噪比和空间分辨率。压缩光属于非经典态,在光学精密测量和引力波探测方面具有巨大潜能,能够突破量子噪声极限。压缩光的一个正交分量上的不确定性小于标准量子噪声极限,该噪声特性与相干场和真空场有本质的区别,如下图所示。

在实验上,提高系统空间分辨率只能通过改变某一波长下接收端的孔径,但是这项技术较困难,进展缓慢。2015年Yang等人提出将一种Λ型的软边光阑置于量子激光雷达中,该光阑具有衰减作用,离成像中心越远衰减越大,利用其衰减效应来降低旁瓣的负效应。模拟显示,相较于硬边光阑,软边光阑更适合用于观察强点光源附近的微弱点光源;同时,从下图可以看出,利用压缩真空注入和相位敏感放大能够分辨强点光源附近的微弱点光源,相比于经典零差激光雷达,其信噪比提高了2 dB。

2017年冯飞等人理论上分析了压缩度为8 dB的量子增强雷达,其信噪比能提高6.25倍,其中压缩光注入式量子雷达系统具有更高的空间分辨率。

除了空间分辨率之外,距离分辨率也是衡量量子雷达的一项重要指标。2011年MIT的Ranjith Naira等人在Dutton的研究基础上提出,可将相敏放大和压缩真空注入技术应用于提高距离测量精度。在进行每一次回波探测时,一方面,利用慢速光电探测器响应时间长的特点,能够对更多的回波脉冲进行积分,进而提高探测信噪比。另一方面,由于慢速探测器量子效率较低,引入相敏放大能够克服信噪比下降这一问题。最后,对镜面反射体和漫反射体的探测进行了仿真验证,发现利用相敏放大器能够提高方位估计的方差。他们认为对于软边光阑为基准的系统来说,压缩真空注入和相位敏感放大的应用可以在未来进一步提高范围估计方差。

由于压缩态的超低噪声,量子雷达的信噪比可以被提高,这对于探测微弱信号和获得高分辨率图像来说是十分有意义的。

▋ 量子照明雷达

为了确定目标的位置,人们通常采用光直接照射的方式来探测目标的反射信号。但是,目标的距离、背景噪声以及热辐射对传统直接探测方法灵敏度的影响较大。因此,2008年Seth Lloyd最先提出量子照明雷达,这是一种具有革命性的光子对抗量子传感技术,该技术能够在嘈杂和损耗大的环境中提高光的探测灵敏度,2013年由意大利的E.D.Lopaeva首次实现了量子照明雷达实验,其装置图如下图所示。

该系统的装置与单光子雷达和纠缠光子雷达相似,它是将一对纠缠光子对作为量子纠缠光源,其中一个纠缠光子向目标发射出去,剩下一个光子留在雷达接收机中。两个光子的这种关联性很高,即使在高损耗及强杂波的环境下,依旧能有效探测目标。量子照明雷达的探测方案与干涉式量子雷达有所不同,量子照明雷达不需要测量相位,只需要一个光子计数器即可。量子照明雷达提供了利用纠缠态的目标探测方法,其特性比经典照明目标探测更有意义。

同时,Lloyd认为采用纠缠光源可能会产生较大的增益,降低误差概率;Tan等人于同年利用自发参量下转换产生的纠缠高斯态作为光源成功将在强噪声背景下的弱反射目标的误差概率指数提高了6 dB。Guha和Erkmen在相干系统中利用光学参量放大(Optical parametric amplification, OPA)接收机将误差概率指数提高了3 dB。而且,2015年Zhang等人也做了OPA接收机的量子照明雷达实验,得到相同发射功率下该系统比相干态系统的信噪比高20%。然而,2017年M.Sanz等人指出Tan所得到的误差概率至少6 dB的增益是通过使用专门为高斯态开发的工具,找到针对最优误差概率的衰减率的较低界限。虽然利用量子照明系统获得了较好的增益,但是完成这一估算需要实现量子Schur变换。因此,急需能用于实验的方案,M.Sanz等人采用纠缠态作为光源,可获得3 dB的提升,且在低光子数情况下完成的。他们将这些结果用于量子照明系统,同时设定上限,令其只依赖于信号闲频态的量子Fisher信息,同时可以将量子照明系统的优势扩展到非高斯态的系统中。

在光源选择方面,量子照明雷达需要具有纠缠性质的光源。2016年,Li等人利用LABVIEW软件对量子照明雷达进行了仿真和分析,建立了激光光源和纠缠光子的数学模型,测量了纠缠光子和非纠缠光子的信噪比,发现纠缠光作为光源的系统信噪比平均值达到了6.85。2017年日本玉川大学的Genta Masada制备了双模式压缩光,通过平衡零差探测观察到纠缠双模式场中的正交相位振幅的关联变化,证明双模式压缩光具有量子纠缠特性,提出未来可将其作为量子照明雷达光源。

Tan等人还提出在激光雷达波长范围内产生的背景光比较弱,即平均光子数NB<<1。如果有明亮的光线干扰时,理想的量子照明雷达在光频波段的优势就会积累。因此,这一想法在微波雷达领域引起了广泛关注。2015年Barzanjeh等人提出了一种可工作在微波波段的新型量子照明雷达,其背景光满足NB>>1。该微波量子照明系统,如下图所示,利用电光调制(EOM)转换产生与光学闲频光纠缠的微波信号,发射微波信号去探测目标所在的区域,用另一个EOM来上转换返回的微波信号到光学频段,便于用闲频光进行相位共轭联合测量。该系统的误差概率十分小,与相干探测系统有数量级的差别,更适用于探测强噪声背景下的微弱信号。

量子照明雷达更适用于高介质损耗和强噪声的环境中,在实际工程应用中具有可行性,原则上来说,量子照明雷达不限于特定的工作频率,有望拓展到雷达X波段。

▋ 结语

本文介绍了干涉式量子雷达,接收端增强量子雷达和量子照明雷达近几年的发展状况。干涉式量子雷达利用量子纠缠态与干涉仪的结合提高干涉条纹的可见度,实现量子雷达的超灵敏探测和高分辨率。通过加入压缩光和相位敏感放大器可以降低接收端标准量子噪声以及对信号进行无噪声放大,提高量子雷达信噪比。量子照明雷达利用了光子的关联性,可在高损耗及强杂波的环境下得到信号,量子照明雷达对于环境的损耗和噪声更具有鲁棒性。因此,相较于经典雷达,量子雷达可利用量子现象突破标准量子极限实现超灵敏度,突破瑞利衍射极限达到高分辨率。随着量子技术的不断发展,量子雷达在不远将来有望实现复杂噪声背景下的远程目标探测,高分辨成像,可用于未来的军事以及民用领域。

摘编自『战略前沿技术』

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