隔空照相和量子雷達

高 峰

隔空照相和量子雷達

高 峰

能給10多公里外的目標拍照，夜視能力出眾，還能看穿云層。在眾多以“量子”為前綴的高科技事物里，如今又多了一件：量子照相機。

這種相機是個不折不扣的“千里眼”，而它的衍生品量子雷達，則是新一代的隱形飛機殺手，目前正在被各國加緊研制。但要從量子照相機變?yōu)榱孔永走_，就如同從收音機到移動電話，還需一段漫長的技術演進過程。

可看透云層的“鬼”成像

2015年7月，據(jù)媒體報道，中國研制出一臺無源單像素量子相機原理樣機，并成功實現(xiàn)了約17公里遠目標的可見光成像。它的外形是個寬0.5米長1米的綠色金屬箱，鏡頭和感光原件全在金屬箱體內(nèi)，透著一股神秘感。

這臺相機通過雙組鏡頭分別接收太陽光以及目標反射光，并通過對比兩種光，進行量子關聯(lián)算法來重建目標的圖像。

為什么這么復雜？事實上，這就是量子相機的特別之處。

對于一般的相機來說，要給物體拍照，就必須用光照射物體，使被照射物體散射或透射出大量光到感光元器件上，從而獲得物體的一個圖像。

然而在很多情況下比如微光環(huán)境，相機的感光元件無法獲得大量的光。這時候要成像，有兩種辦法，一種是利用紅外線。任何比絕對零度（零下273攝氏度）溫度高的物體，都會向外輻射紅外線。基于這個原理，在相機內(nèi)設置接受紅外線感光器，就可實現(xiàn)紅外成像。

不過紅外線相機無法穿透高溫煙霧，這一缺陷在航天領域很致命，衛(wèi)星上的相機如果無法穿越云層，將不能及時反饋地表情況。

另一種微光成像技術就是量子成像。科學家對量子成像最早的認識是半個世紀前，英國天體物理學家漢伯里·布朗和特威斯為獲得天體尺寸而開展的HBT實驗。兩人在試驗中發(fā)現(xiàn)，當一束光被分為兩束時，兩者的光強存在關聯(lián)性。這與當時普遍認為光子是不會相互影響的觀點相悖。該現(xiàn)象也被稱為“光子聚束效應”。

之后經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，尤其是激光技術的突飛猛進，1995年美國馬里蘭大學首次完成了被稱為“鬼成像”的量子成像實驗。“鬼成像”就是在HBT實驗的基礎上，在一束光的光路內(nèi)放置物體，而后對比兩束光的光強數(shù)據(jù)，隨后可得到放置物體的圖像。

早期的量子成像必須在特定的光源下進行，而且只能得到物體的輪廓。而隨著微電子技術的發(fā)展，以及量子關聯(lián)算法的優(yōu)化，目前的量子成像已經(jīng)能在自然光源下，得到物體清晰的圖像。

2014年，美國防務系統(tǒng)網(wǎng)站披露，美國陸軍研究實驗室（ARL）正在開發(fā)一種可“看穿”煙霧和熱浪的量子成像技術。在披露資料中，該系統(tǒng)進行了距離2.33千米的成像測試，在低光和氣流紊亂情況下獲取了清晰度令人驚訝的圖像。

ARL自稱，該團隊自2003年就開始研究量子成像，2007年發(fā)明遠程量子成像，該技術將提高地面、衛(wèi)星和無人機的情報、監(jiān)視、偵察能力。

反隱利器量子雷達

相比紅外成像，量子成像技術除了在微光領域表現(xiàn)搶眼，更重要的是，為量子雷達的實現(xiàn)打下了基礎。隨著復合材料以及航空發(fā)動機技術的進步，低可探測性的隱形飛機成為今日天空霸主。如今應對隱形飛機的雷達系統(tǒng)眾多，而量子雷達被公認為未來最有效的反隱形手段之一。

2008年，美國麻省理工學院教授勞埃德首次提出基于光波照射方式的量子雷達系統(tǒng)。這種量子雷達的原理與量子相機相似，只不過將相機接收的太陽光，變?yōu)樘綔y光波。

量子雷達內(nèi)也有兩臺接收器，一臺備份探測光波，另一臺接收被照目標物回波，而后將兩種波進行對比，根據(jù)量子關聯(lián)算法得出目標圖像、方位等信息。根據(jù)實驗結(jié)果，勞埃德表示，隨著探測光波復雜程度的上升，被照射物體可探測性將呈幾何倍的增長。

相比傳統(tǒng)雷達，因光波的復雜性，被探測目標很難通過吸收、復制等方式干擾量子雷達。這如同將標記目標的物質(zhì)由顏料換成了熒光粉，極大提高了目標的可探測性。

此外，在傳統(tǒng)雷達領域，必須擁有隱形技術的國家才能獲取反隱形能力。而量子雷達是另辟蹊徑，即便沒有掌握隱形技術，也可實現(xiàn)反隱形。因此，各國都在研發(fā)量子雷達，只是披露情況不一。

當然，有盾就有矛，目前針對低復雜度的探照光波，已可以進行復制并因此使得量子雷達致盲。2013年1月，美國紐約羅切斯特大學的一個研究小組公布其研發(fā)出了可探照物體的量子雷達。但該研究小組在發(fā)表成果的同時也表示，他們的雷達系統(tǒng)并非完美。因為其所用的探照光所含的幾種粒子容易被“吸走”和復制，敵方可對量子雷達進行同頻探照光波輻射。

這將使量子雷達不能開展量子關聯(lián)運算而致盲。而目前，世界各地的很多實驗室都擁有這種干擾設備。

除了在軍事領域，在民生領域量子雷達也有用武之地。

2015年4月，由英國約克大學量子信息科學家領導的一個國際研究小組開發(fā)出一種量子雷達原型。該組織表示，其發(fā)明量子雷達是個混合系統(tǒng)，能利用微波與光束之間的量子相關性來探測物體，如癌細胞這類低反射率目標。

從長遠來看，這種量子雷達能以非入侵的方式檢查生物樣本或人類組織中是否存在缺陷。在醫(yī)療中，這些技術可用在磁共振成像中，降低病人身體吸收的輻射劑量。

量子雷達雖然是新一代的雷達系統(tǒng)，可帶來革命性的應用機遇，但目前，它仍然處于實驗室階段。

即便是最為領先的軍事領域，美國紐約羅切斯特大學和英國約克大學的量子雷達，也只是解決了探照問題，還不能實現(xiàn)追蹤、鎖定目標等功能。人們要見到可用于實戰(zhàn)的量子雷達恐怕還得等上多年。（中國科學院）