量子雷達技術發展與展望?

(北京跟蹤與通信技術研究所,北京100094)

0 引言

雷達是20世紀發明的用于目標探測和測距的遠程傳感設備,在軍事與民用領域發揮了極其重要的作用,例如預警、監視、跟蹤,天氣預報、資源探測、環境監控以及天文觀測等[1]。雷達通過發射電磁信號并接收目標反射回波信號可以感知并獲取目標信息,如距離、速度、加速度等運動狀態信息,通過深入信息處理可實現特征提取與目標識別、成像等任務需求。概率統計、控制論、信息論以及信號處理的應用不斷促進雷達系統的完善以及性能的改良,但是經典雷達測量精度受限于客觀物理規律而不能無限提升,因而不能滿足日益苛刻的任務需求[2]。

在雷達技術于工程界得到極大發展的同時,物理學界構建了揭示自然世界客觀規律的量子理論。利用量子現象可以完善經典信息系統,提升信息獲取、傳遞與處理的性能與效率。在信息傳遞方面,利用單光子的BB84協議[3],利用量子糾纏的Ekert 91協議[4]以及BBM92協議[5]等量子密鑰分布方案奠定了量子密碼通信的基礎[6]。在信息處理方面,Feynman在1982年提出量子計算的概念[7-8],Shor在1994年提出首個用于大數分解的量子算法[9];近來,利用多量子比特進行計算的量子計算機原型建造成功并能執行簡單量子程序和計算。空間信息的獲取主要通過遠程傳感器實現。遠程傳感即為對所接收的輻射信息進行檢測、估計并重建空間目標及環境的過程,提升傳感器靈敏度和分辨率是改善其信息獲取能力的關鍵。為此,美國率先開展了利用量子糾纏等量子現象改進信息獲取系統的理論與實驗研究。在這方面,美國高等研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)于2007年組織領導了量子傳感器項目(Quantum Sensor Program,QSP)[10],對量子激光雷達的增強技術進行探索研究,標志了量子遠程探測領域的正式形成。此外,美國麻省理工、加州理工的JPL、NASA、海軍實驗室、空軍實驗室,以及其他多個研究機構均對相關領域進行了大量研究工作,極大地發揮了量子力學在信息獲取系統中的威力。

量子雷達[11]是一種利用量子現象進行目標狀態感知與信息獲取的量子遠程傳感器。通過在發射端和(或)接收端引入量子增程策略,量子雷達的測量可以突破標準量子極限并逼近Heisenberg極限。本文將介紹量子雷達的基本概念原理和理論基礎,對量子干涉測量、量子激光雷達以及量子照明的體制和性能進行介紹分析,并對量子雷達的技術要點和發展方向進行討論與展望。

1 基本概念

經典雷達通過向目標發射電磁信號并接收目標調制的回波信號來實現測量。測量的精度(如距離、角度和速度等)信噪比,即其中SNR為信噪比。如果克服宏觀誤差因素的影響,諸如目標不確定性、大氣抖動、設備系統誤差等因素,經典雷達的信噪比極限SNR～N,N為信號中的探測到的平均光子數。由此,經典雷達的測量精度極限為由散粒噪聲(Shot Noise)導致[12-13],稱之為標準量子極限(Standard Quantum Limitation)。物理上散粒噪聲由電磁場的離散本質和電磁波的泊松統計特性決定。

在微觀世界,系統的行為諸如狀態的演變無不遵循量子力學規律。而量子測量的極限則受限于量子世界的基本準則 —— 不確定性原理,稱Heisenberg極限。如果在測量過程中采取一些策略,則測量靈敏度將有可能突破標準量子極限,并接近Heisenberg極限,即Δ?～1/N。例如,在測量系統中引入高度關聯的糾纏態、壓縮態或者Fock態并對其進行協同測量。當測量的靈敏度優于標準量子極限并接近Heisenberg極限時,則稱其為超靈敏測量[11],如圖1所示。

圖1 測量極限

2 量子雷達體制

通過在信號發射端和接收端引入量子增強策略,量子增強策略通過量子發射機和量子接收機實現,可以改善系統的探測性能,經典雷達與量子雷達基本示意如圖2所示。根據增強策略可將量子雷達系統分為3類:第1類,發射非經典態作為探測信號,無本地態與發射信號相互糾纏,如N00N態干涉測量(Quantum Interferometry);第2類,發射經典態作為探測信號,在接收端采用非經典探測技術,如基于壓縮態注入和相位敏感放大的量子激光雷達系統(Quantum LADAR);第3類,本地態與發射態相互糾纏,利用發射信號與本地信號的糾纏特性提高檢測性能,如量子照明系統(Quantum Illumination)。

圖2 經典雷達與量子雷達基本示意

2.1 量子干涉測量

量子干涉測量可抽象成Mach-Zender干涉儀模型[11],采用N00N態作為發射信號,能夠突破標準量子極限達到Heisenberg極限。N00N態兩光子分別在干涉儀兩臂中傳播,由于兩臂的等效長度的差異,N00N態中引入了相位延遲?,并兼顧量子力學中產生算符和湮滅算符的影響,選擇觀測量,可得到測量相位誤差達到Heisenberg極限。而對于經典可分離態而言,有相位誤差極限未突破標準量子極限。

考慮N00 N態在衰減介質中的傳播[14],量子干涉儀模型中的一個路徑長度可以等效于0,于是得到簡化的測量相位誤差極限,δ?D=其中α=exp(-χL),χ為衰減系數,L為在傳播介質中傳播的距離。大氣衰減趨于0即α趨于1時,δ?D回歸Heisenberg極限,δ?S回歸標準量子極限,然而δ?S相比于δ?D隨α增加趨勢更為平緩,即相干測量在衰減介質中性能更容易弱化。令δ?D= δ?S,可得(N-1)αN+NαN-1=1,方程具有唯一解α?,隨N增加而遞減,定義為臨界透射常數,表示相干測量性能與非相干測量性能相等時的透射率。當超過臨界透射常數時,相干測量的靈敏度將弱于非相干測量。令可得(2N-1)αN=1,方程具有唯一解α+=(2N-1)-1/N,定義為超靈敏透射極限,表示當α超過α+,相干測量由于透射率的減弱而無法實現超靈敏測量。α?與α+隨N增加而增大,如圖3所示。

圖3 量子干涉測量介質透射極限

對于N=2雙光子情形,超靈敏透射極限α+=0.414,臨界透射常數α?=0.577,可得超靈敏測量極限距離與相干最優測量臨界距離分別為L+=-ln(α+)/χ,和L?=-ln(α?)/χ。對于X波段信號,波長λ=3.2 cm時,當能見度為300 m時,等效衰減系數χ=0.0016/km。

基于N00N態的量子相干測量可以突破標準量子極限,然而其性能在衰減介質中減弱明顯,不利于實際測量。此外,糾纏態對衰減介質的敏感性強于非糾纏態,因而當超過臨界透射常數時,糾纏態的測量相比非糾纏態將不再具備優勢,如圖4所示[11,14]。量子干涉雷達是一類原理上可以應用于實際的超靈敏雷達。在衰減介質中,量子干涉測量的性能隨透射率降低而衰減,將此原理應用于大氣可以得到量子干涉雷達在實際應用中的超靈敏距離。

圖4 衰減介質中量子干涉測量性能

2.2 量子激光雷達

LADAR是利用激光作為探測波束的雷達系統。在DARPA的QSP項目[10]以及后續研究中, MIT、Raytheon公司和Harris公司等研究機構將利用壓縮真空注射(Squeezed Vacuum Injection, SVI)和相位敏感放大(Phase-Sensitive Amplification,PSA)[15]的零差檢測(Homodyne)技術引入激光雷達系統接收機中,實現了空間分辨率的提高與突破,如圖5所示[10,16]。SVI和PSA作為利用量子現象的操作方法,聯合作用有效降低了激光雷達接收端噪聲本底,可大幅提升系統角度[16]和距離[17]分辨率。

式中,P為探測系統的噪聲功率譜密度[10],Geff為PSA增益,r為壓縮真空參數,1-η為零差檢測效率。其中各項分別表示由目標回波、真空壓縮和零差檢測引入的量子噪聲。當Geff=1,r=0時,噪聲回歸為基本激光雷達檢測系統,等效于SVI和PSA無作用;當r＞0,SVI的作用使得目標的高空間頻率細節信息引發的量子噪聲被有效抑制;當Geff＞1時,PSA的作用使得零差檢測的噪聲影響被降低。因而,SVI和PSA的聯合作用成功抑制激光雷達接收端的量子噪聲,實現檢測性能的大幅增強。量子激光雷達由于在接收機采用量子增強技術,無需非經典信號的使用,對信號源的限制得到有效降低。

圖5 SVI和PSA量子增強技術

2.3 量子照明

傳統的雷達系統向空間目標發射經典電磁信號并接收散射回波實現探測;量子干涉測量等第1類量子雷達通過發射非經典信號實現探測;量子激光雷達等第2類量子雷達通過在接收機端引入增強策略實現檢測性能的提升;此外,仍可利用糾纏信號進行目標探測,如量子照明。量子照明(Quantum illumination)[18]是MIT的Lloyd于2008年提出的目標探測方案,適用于高介質損耗和強噪聲背景的情形。如圖6所示,量子照明方案利用糾纏源對目標進行照射,糾纏信號一部分作為本地信號儲存,另一部分作為發射信號進行目標探測,在接收端對本地信號和目標散射信號聯合測量,從而實現探測靈敏度的提高。Lloyd的理論研究表明,相比于傳統光源,m量子比特的糾纏信號可實現2m倍探測信噪比的提升,在損耗強噪聲情況下同樣具有高靈敏的檢測性能,并且適用于任何信號頻率。2012年,意大利首次在實驗上實現了量子照明方案[19]。實驗中,β-BBO晶體作為糾纏源,一部分光束直接發射到探測裝置,另一部分經目標散射到探測裝置,在散射光束中加入熱源噪聲,探測裝置實現了量子照明方案中的高靈敏信號檢測,證實了其在實際工程應用中的可行性。此外,CIT、MIT等研究機構提出了適用于量子照明的接收機方案,可實現信號的優化檢測[20-21]。量子照明由于在損耗和噪聲環境下的適用性而具有可觀的實際應用前景。

圖6 量子照明示意圖

3 量子雷達關鍵技術

雷達的量子增強策略在理論上是可行的,但是從概念到量子雷達系統實現的推進仍需大量研究。量子照明是最典型、最具前景的量子雷達,發展量子照明體制涉及諸多技術,如非經典信號源的研制、量子信號的調制機制、量子信號的探測器件等,本節對這些關鍵技術著重展開討論。

3.1 量子糾纏源

在量子干涉測量與量子照明等多數量子測量體制中,系統通過引入非經典信號實現探測性能的增強,其中糾纏是最成熟的非經典信號。目前已報道的量子糾纏產生方法包含原子糾纏(腔量子電動力學)、離子糾纏(離子井)和原子核糾纏(核磁共振)等多種可能,然而由于這些糾纏形態無法在自由空間中有效傳播,光子糾纏成為適用于量子雷達優化的選擇。糾纏光子的產生也有多種可行方法。利用正負電子湮滅產生γ糾纏對是產生光子糾纏態的最早報道;電磁振蕩、原子核中電子躍遷以及原子核內能級躍遷是產生各波段糾纏光子的有效途徑。糾纏光子的制備通常利用非線性晶體中的三波混頻過程、光纖中的四波混頻過程、半導體器件中的四波混頻過程等方式實現。三波混頻是在β硼酸鋇(BBO)、周期性極化鈦氧基磷酸鉀和鈮酸鋰等晶體中,泵浦光子通過自發參量降頻轉換效應(Spontaneous Parametric Down Conversion,SPDC)分解成較低能量的糾纏光子對[22],可產生極化、動量、角動量等多種糾纏方式,轉換效率依賴于晶體類型。自發四波混頻過程(Spontaneous Four-Wave Mixing,SFWM)主要發生在標準光導纖維和光子晶體纖維中[23-24],在SFWM過程中,兩個泵浦光子被轉化成糾纏光子對,其頻率仍保持在相同波段。此外, SFWM也可發生在微納波導與諧振器等Si、SiN半導體器件中。半導體糾纏源更容易整合到芯片等精密部件中。高效、穩健的量子糾纏源為量子雷達的構建奠定了基礎保障。

3.2 非經典信號的調制

傳統雷達回波為發射電磁波在空間環境背景下與目標共同作用的結果,環境作用包含噪聲、干擾和雜波等,目標的調制由材料、形狀、姿態和運動等因素決定,可用Maxwell方程組、本構方程以及邊界條件完全刻畫。目標調制的物理過程可表現為振蕩電磁場照射目標產生表面電流,表面電流激發空間散射電磁場形成回波信號;散射場的畸變或其他成分電磁場的疊加即表現為環境作用。關于目標與環境對非經典信號(如糾纏光子)調制的研究尚不成熟。非經典信號載體多以少數光子形式存在,與目標及環境的相互作用可表征為光子和原子的散射作用,需由描述電磁場與帶電粒子相互作用的量子電動力學刻畫,調制機制依賴于微觀電磁作用的量子特性,不再適用于揭示宏觀電磁波動特性的Maxwell方程。糾纏信號調制的物理內涵在于,運動目標的原子與之相互作用對探測光子的屬性改變以及對光子糾纏特性的影響,然而這些基本物理過程均需要深入探索研究。

3.3 非經典信號的檢測

糾纏信號檢測的核心內容是單光子探測和糾纏檢測。單光子探測廣泛應用于光子計數成像領域,信號微弱到以離散光子的形式存在,是微弱信號檢測的極端情況。對于糾纏光子的探測,可使用單光子探測技術。光電倍增管和雪崩光電二極管等單光子探測器為糾纏光子的檢測提供了可能;近年來發展起來的超導探測器在單光子檢測方面同樣具有可觀的潛力。此外,糾纏光子對在大氣中會發生退相干效應,同樣會受目標調制作用的影響,量子糾纏態的測量則需要用Bell型CHSH不等式來驗證。

4 智能量子照明系統結構構想

與傳統雷達相比,量子照明系統雖具有相似的基本結構,但是卻有截然不同的模塊。糾纏源產生的雙光子糾纏信號由分發器分兩路傳送至存儲器和雙工器,雙工器與天線的作用同傳統雷達,雙工器接收的回波信號與存儲器中信號同時傳送至糾纏信號檢測器,隨后進行信號與數據處理。為了增強量子雷達的性能,借鑒認知雷達思想,在量子雷達系統中增加兩個改進舉措,即引入從接收機到發射機的信息反饋回路和知識輔助控制管理系統。一方面,信息反饋回路由自適應糾纏源和自適應信號與數據處理系統構成,接收機端向發射機端提供關于目標的信息反饋,以便糾纏源調整信號參數,從而提高接收機獲取目標信息效率;另一方面,控制管理系統作為智能處理中樞,根據專家準則以及實時更新的目標、環境數據庫提供的先驗信息進行決策、目標分析和發射信號優化等。由此構成智能化量子雷達系統,如圖7所示。

5 結束語

物理規律客觀約束測量系統精度的無限提升,理論上雷達系統通過引入基于量子現象和量子技術的增強策略可以突破標準量子極限達到Heisenberg極限。量子干涉測量、量子激光雷達和量子照明技術等是很有前景的量子雷達。量子雷達的前景盡管十分可觀,但是目前的發展面臨眾多亟待解決的問題與瓶頸。在理論上,目標對糾纏態的調制作用、發射信號的最佳信號形式、接收信號的檢測與估計理論、信號的衰減、噪聲等,尚屬空白;實驗上,量子雷達模擬平臺需要合適的糾纏源與可行的檢測方法;所有適用于目標探測的量子雷達模塊及部件開發仍需更長遠且持久、深入的研究。

圖7 智能化量子照明系統構想

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