量子科技是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。
日前,我国科学家采用电磁波量子效应研制了首台量子激光雷达,其探测能力比美国同类设备提升了三个数量级。
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量子雷达
量子雷达基于量子力学基本原理,主要依靠收发量子信号实现目标探测的一种新型雷达。量子雷达具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特点,未来可进一步应用于导弹防御和空间探测,具有极其广阔的应用前景。作为洞察未来战场的“千里眼”,量子雷达技术势必掀起各军事强国变革雷达技术的时代潮流。
继中国自主研制的世界首颗量子科学试验卫星“墨子号”成功发射后,电子科技集团第14研究所研制量子雷达取得突破性进展。
在中国科学技术大学、中国电科27所以及南京大学等协作单位的共同努力下,经过不懈的努力,完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证,并且在外场完成真实大气环境下目标探测试验,获得百公里级探测威力,探测灵敏度极大提高,指标均达到预期效果。
2016年8月,中国电科首部基于单光子检测的量子雷达系统在14所研制成功。
在中国科学技术大学、中国电科27所以及南京大学等协作单位的共同努力下,经过不懈的努力,完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证,并且在外场完成真实大气环境下目标探测试验,获得百公里级探测威力,探测灵敏度极大提高,指标均达到预期效果。
2016年8月,中国电科首部基于单光子检测的量子雷达系统在14所研制成功。
量子雷达主要可以分为以下3个类别:
根据利用量子现象和光子发射机制的不同,量子雷达主要可以分为:
根据利用量子现象和光子发射机制的不同,量子雷达主要可以分为:
一、是量子雷达发射纠缠的量子态电磁波。
其探测过程为利用泵浦光子穿过(BBO)晶体,通过参量下转换产生大量纠缠光子对,各纠缠光子对之间的偏振态彼此正交,将纠缠的光子对分为探测光子和成像光子,成像光子保留在量子存储器中,探测光子由发射机发射经目标反射后,被量子雷达接收,根据探测光子和成像光子的纠缠关联可提高雷达的探测性能。与不采用纠缠的量子雷达相比,采用纠缠的量子雷达分辨率以二次方速率提高。
其探测过程为利用泵浦光子穿过(BBO)晶体,通过参量下转换产生大量纠缠光子对,各纠缠光子对之间的偏振态彼此正交,将纠缠的光子对分为探测光子和成像光子,成像光子保留在量子存储器中,探测光子由发射机发射经目标反射后,被量子雷达接收,根据探测光子和成像光子的纠缠关联可提高雷达的探测性能。与不采用纠缠的量子雷达相比,采用纠缠的量子雷达分辨率以二次方速率提高。
二、是量子雷达发射非纠缠的量子态电磁波。
发射机将纠缠光子对中的信号光子发射出去,“备份”光子保留在接收机中,如果目标将信号光子反射回来,那么通过对信号光子和“备份”光子的纠缠测量可以实现对目标的检测。
发射机将纠缠光子对中的信号光子发射出去,“备份”光子保留在接收机中,如果目标将信号光子反射回来,那么通过对信号光子和“备份”光子的纠缠测量可以实现对目标的检测。
三、是雷达发射经典态的电磁波。
在接收机处使用量子增强检测技术以提升雷达系统的性能,目前,该技术在激光雷达技术中有着广泛的应用。
在接收机处使用量子增强检测技术以提升雷达系统的性能,目前,该技术在激光雷达技术中有着广泛的应用。
量子雷达的技术优势
传统雷达存在一些缺点,一是发射功率大(几十千瓦),电磁泄漏大;二是反隐身能力相对较差;三是成像能力相对较弱;四是信号处理复杂,实时性弱。对比经典雷达存在这些的技术难点,量子信息技术均存在一定的技术优势,它可以通过与经典雷达相结合,提升雷达的探测性能,弥补传统雷达在探测性能方面的劣势。
首先,量子信息技术中的信息载体为单个量子,信号的产生、调制和接收、检测的对象均为单个量子,因此整个接收系统具有极高的灵敏度,即量子接收系统的噪声基底极低,相比经典雷达的接收机,噪声基底能够降低若干个数量级。再忽略工作频段、杂波和动态范围等实现因素,则雷达作用距离可以大幅提升数倍甚至数十倍。从而大大提升雷达对于微弱目标,甚至隐身目标的探测能力。
其次,量子信息技术中的调制对象为量子态,相比较经典雷达的信息调制对象,量子态可以表征量子“涨落变化”等微观信息,具有比经典时、频、极化等更加高阶的信息,即调制信息维度更高。从信息论角度出发,通过对高维信息的操作,可以获取更多的性能。对于目标探测而言,通过高阶信息调制,可以在不影响积累得益的前提下,进一步压低噪声基底,从而提升噪声中微弱目标检测的能力;从信号分析角度出发,通过对信号进行量子高阶微观调制,使得传统信号分析方法难以准确提取征收信号中调制的信息,从而提升在电子对抗环境下的抗侦听能力。综合而言,通过量子信息技术的引入,通过量子化接收,原理上可以有效降低接收信号中的噪声基底功率;通过量子态调制,原理上可以增加信息处理的维度,一方面可以提升信噪比得益,另一方面可以降低发射信号被准确分析和复制的可能性,从而在目标探测和电子对抗领域具有广阔的应用潜力。
我国科学家研发的这台量子激光雷达,是利用电磁波量子效应研制成功的,探测能力已经大大提升。 技术难题
目前全世界可控的量子只有光子,也只能利用光子做量子雷达,但面临的技术难题有三个:一是寻找到量子纠缠源,目前全世界最高超技术是中国科学技术大学做出来的10光子纠缠,10个光子实在是啥也探测不到。二是非经典信号的调制,就是操作量子进行编码,扩频等操作,这个问题超越了当前人类物理学发展的极限。三是非经典信号的监测,该技术目前已有突破,可用单光子探测器和超导探测器,但还未完全成熟。
人类最先进的技术是在2015年7月由加拿大、美国、德国和意大利科学家取得的,他们使用了激光量子雷达发射了数个没有经过调制的光子,作用距离仅为15-20千米,根本无法用来真正探测目标,而且是在-150摄氏度的环境下才能有效运转。