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量子雷達編輯詞條

2012年,美國羅切斯特大學光學研究所的研究團隊成功研發出一種抗干擾的量子雷達,這種雷達利用光子的量子特性來對目標進行成像,由于任何物體在接收到光子信號之后都會改變其量子特性,所以這種雷達能輕易探測到隱形飛機,而且幾乎是不可被干擾的。該技術的原理與量子密鑰分配加密技術比較類似,在竊聽者試圖改變量子特性時就會暴露自己的位置。

2012年,美國羅切斯特大學光學研究所的研究團隊成功研發出一種抗干擾的量子雷達,這種雷達利用光子的量子特性來對目標進行成像,由于任何物體在接收到光子信號之后都會改變其量子特性,所以這種雷達能輕易探測到隱形飛機,而且幾乎是不可被干擾的。該技術的原理與量子密鑰分配加密技術比較類似,在竊聽者試圖改變量子特性時就會暴露自己的位置。

繼中國自主研制的世界首顆量子科學試驗衛星“墨子號”成功發射后,中國科學家在量子科學領域再傳捷報。由電子科技集團第14研究所領銜研制的量子雷達取得突破性進展,完成了量子探測機理、目標散射特性研究以及量子探測原理的實驗驗證。2016年8月,中國電科首部基于單光子檢測的量子雷達系統在14所研制成功,達到國際先進水平。

量子雷達是基于量子力學基本原理,主要依靠收發量子信號實現目標探測的一種新型雷達。量子雷達具有探測距離遠、可識別和分辨隱身平臺及武器系統等突出特點,未來可進一步應用于導彈防御和空間探測,具有極其廣闊的應用前景。作為洞察未來戰場的“千里眼”,量子雷達技術勢必掀起各軍事強國變革雷達技術的時代潮流。

1原理

在本項研究中,工程師們使用新型偵測技術能夠揭穿頻率干擾等反制手段,來自紐約羅徹斯特大學的研究小組展示了如何通過光子的量子屬性來獲得先進的反隱身技術。對此,麻省理工學院的科學家評論認為這項新的偵測技術依賴于任何一個測量光子的行為總會摧毀它自身的量子特性,由此就可通過破壞原來光子的量子特征來重新模擬出虛假的光子屬性,以達到欺騙目的。

如果一架雷達隱形的飛機試圖攔截這些光子并重新發送虛假信號,雷達回波僅相當于一只鳥的面積就可以掩蓋自身的真實位置,但量子雷達在這一欺騙過程中也發現了敵方飛機的蹤跡。這項新發明在技術工程上也有相似的運用,比如可以用類似的方式進行量子密鑰加密,通過改變密鑰的量子屬性來達到目的。來自羅徹斯特光學研究所的科學家梅胡爾·馬利克(Mehul Malik)利用該技術對遠程隱形轟炸機進行反射光子測試實驗,測量反射信號的極化錯誤率。

2用途

研究人員計劃將來用該技術于識別隱身作戰飛機,當截獲到敵方防空雷達信號時,將信號的量子特征進行修改,并自動形成一只鳥的信號發送往敵方雷達,這樣似乎可以達到傳統的隱身目的,但新型量子雷達卻很容易揭穿這一詭計。麻省理工學院的研究人員認為這是第一次使用量子力學研制的成像系統,成果是令人印象深刻的,可以不受到任何雷達干擾措施的影響。然而,量子偵測技術所需的設備可以由全球范圍的實驗室研制出來,但還沒有裝備到軍隊。

3中國量子雷達

上月,中國電科首部基于單光子檢測的量子雷達系統在14所研制成功。在中國科學技術大學、中國電科27所以及南京大學等協作單位的共同努力下,經過不懈的努力,完成了量子探測機理、目標散射特性研究以及量子探測原理的實驗驗證,并且在外場完成真實大氣環境下目標探測試驗,獲得百公里級探測威力,探測靈敏度極大提高,指標均達到預期效果。

量子雷達的分類

根據利用量子現象和光子發射機制的不同,量子雷達主要可以分為以下3個類別:

一是量子雷達發射糾纏的量子態電磁波。其探測過程為利用泵浦光子穿過(BBO)晶體,通過參量下轉換產生大量糾纏光子對,各糾纏光子對之間的偏振態彼此正交,將糾纏的光子對分為探測光子和成像光子,成像光子保留在量子存儲器中,探測光子由發射機發射經目標反射后,被量子雷達接收,根據探測光子和成像光子的糾纏關聯可提高雷達的探測性能。與不采用糾纏的量子雷達相比,采用糾纏的量子雷達分辨率以二次方速率提高。

二是量子雷達發射非糾纏的量子態電磁波。發射機將糾纏光子對中的信號光子發射出去,“備份”光子保留在接收機中,如果目標將信號光子反射回來,那么通過對信號光子和“備份”光子的糾纏測量可以實現對目標的檢測。

三是雷達發射經典態的電磁波。在接收機處使用量子增強檢測技術以提升雷達系統的性能,目前,該技術在激光雷達技術中有著廣泛的應用。中電14所實際上應用的是上述三種模式中的一種。

量子雷達的技術優勢

目前,經典雷達存在一些缺點,一是發射功率大(幾十千瓦),電磁泄漏大;二是反隱身能力相對較差;三是成像能力相對較弱;四是信號處理復雜,實時性弱。針對經典雷達存在的技術難點,量子信息技術均存在一定的技術優勢,可以通過與經典雷達相結合,提升雷達的探測性能。

首先,量子信息技術中的信息載體為單個量子,信號的產生、調制和接收、檢測的對象均為單個量子,因此整個接收系統具有極高的靈敏度,即量子接收系統的噪聲基底極低,相比經典雷達的接收機,噪聲基底能夠降低若干個數量級。再忽略工作頻段、雜波和動態范圍等實現因素,則雷達作用距離可以大幅提升數倍甚至數十倍。從而大大提升雷達對于微弱目標,甚至隱身目標的探測能力。

其次,量子信息技術中的調制對象為量子態,相比較經典雷達的信息調制對象,量子態可以表征量子“漲落變化”等微觀信息,具有比經典時、頻、極化等更加高階的信息,即調制信息維度更高。從信息論角度出發,通過對高維信息的操作,可以獲取更多的性能。對于目標探測而言,通過高階信息調制,可以在不影響積累得益的前提下,進一步壓低噪聲基底,從而提升噪聲中微弱目標檢測的能力;從信號分析角度出發,通過對信號進行量子高階微觀調制,使得傳統信號分析方法難以準確提取征收信號中調制的信息,從而提升在電子對抗環境下的抗偵聽能力。綜合而言,通過量子信息技術的引入,通過量子化接收,原理上可以有效降低接收信號中的噪聲基底功率;通過量子態調制,原理上可以增加信息處理的維度,一方面可以提升信噪比得益,另一方面可以降低發射信號被準確分析和復制的可能性,從而在目標探測和電子對抗領域具有廣闊的應用潛力。

 
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