量子雷达

一、量子雷达简介
1、量子雷达的内涵与应用
1）释义：量子雷达是将量子信息调制到雷达信号中，从而实现目标探测的电子设备。

将量子信息技术引入经典雷达探测领域，解决经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈，提升雷达的综合性能。

属于一种新概念雷达，首要应用是实现目标有无的探测，在此基础上可以进一步扩展应用领域，包括量子成像雷达、量子测距雷达和量子导航雷达。

2）构成：量子雷达由发射系统和接收系统组成。

3）工作原理图：
AOM: orbital angular momentum.
EMCCD: electron-multiplying CCD camera HWP: 半波片PBS : 分光器
H、D、V、A：四种偏振态（在EMCCD上分别成像）
如果一架雷达隐形的飞机试图拦截这些光子并重新发送虚假信号，雷达回波仅相当于一只鸟的面积就可以掩盖自身的真实位置，但量子雷达在这一欺骗过程中也发现了敌方飞机的踪迹。

这项新发明在技术工程上也有相似的运用，比如可以用类似的方式进行量子密钥加密，通过改变密钥的量子属性来达到目的。

来自罗彻斯特光学研究所的科学家梅胡尔·马利克(Mehul Malik)利用该技术对远程隐形轰炸机进行反射光子测试实验，测量反射信号的极化错误率。

2、量子雷达与经典雷达的关系
1）雷达的发展历程
近单纯利用发射的电磁波信号→综合利用电磁信号的频率和相位信息
技术维度主要包括调制方式和检测机理。

近单纯利用发射的电磁波信号的非相参雷达：经过目标表面散射后，通过判断接收信号
的能量，实现目标的有无。

非相参雷达的信息载体只能通过信号的绝对幅度或幅度的变化来体现，检测机理就是简单的能量检测，非相参雷达无法区分杂波和目标，信息利用方式单一，应用领域受到较大的限制。

综合利用电磁信号的频率和相位信息，即电磁场的二阶特性。

通过发射电磁波二阶特性的应用，在调制方式上，出现了线性调频、相位编码和捷变频等复杂信号形式，这些信号形式有效解决了传统雷达时宽与带宽的矛盾，并提升雷达抗干扰、抗杂波的能力。

在检测技术上，催生了动目标检测( MTD) 技术、空时自适应处理( STAP) 技术和脉冲多普勒体制( PD) ，这些技术利用目标和杂波在多普勒域上的差异，实现杂波中运动目标的有效检测，提升雷达抗杂波能力。

2）量子雷达与经典雷达的比较（量子雷达是对经典雷达理论的更新和补充。

）
调制方式：（1）经典雷达是通过对宏观电磁波相位和频率的操作和控制，获取其在空间、时间和频率等维度上的调制效应。

（2）量子雷达的量子信息技术的信息载体为电磁场的微观量子和量子态。

相比较而言，一方面，量子雷达将雷达探测发射信息的调制维度，由电磁场宏观的
空、时、频特征，推广至可以表征“微观粒子相关关系”的量子态特征，对
传统雷达探测的信息维度进行扩充; 另一方面，量子雷达将雷达探测接收信
号的检测极限，由宏观电磁场能量检测的灵敏度，扩展为微观量子检测的“暗
计数”
检测机理：（1）经典雷达检测理论在经历了由能量检测向相参检测的扩展后，目前的检测机理是利用回波信号在宏观空、时、频域的相参性特征，以回波信号信噪比最
大为准则，实现目标信号有无的检测和目标信号参数的估计。

在经典电磁理
论下，雷达接收机的噪声是由于器件中短电流引起的散粒噪声引起，（2）量子理论则认为部分噪声是由于入射信号场在量子层面的微观特性导致的，因此，量子雷达一方面可以通过相应的量子操作( 如压缩真空注入( SVI) 和
相位敏感放大( PSA) 等) ，降低接收端的噪声水平; 提升雷达性能; 另一方
面，可以利用信号在微观层面存在的高维度相参特性，通过量子检测与估计
理论，利用目标信号与噪声在高维度上差异，可以进一步提升信号检测的性
能，甚至突破经典检测与估计的理论极限。

3、量子雷达的应用前景
1）隐身目标原理：本质就是通过气动外形、电磁吸波材料等技术的应用，最大程度降低电磁波的后向散射强度，使得回波信号的能量远小于经典雷达接收机的噪声基底，导致实现目标检测必须更长的积累时间或更大的发射功率。

2）经典雷达：技术在反隐身探测和抗监听和抗干扰方面依然存在技术瓶颈。

经典雷达采用低频段探测、增大功率口径积和增加驻留时间，提高隐身目标的回波能量，从而提升隐身目标的检测性能。

工程应用中存在一定局限性。

（1）雷达的功率口径积不可能无限制的扩大，平台载荷、雷达灵活性的限制和半导体技术、系统集成技术等均限制了雷达可实现的功率口径积;
（2）低频段探测将面临外界电磁环境干扰的影响，且频率越低，电磁环境越复杂，环境电磁干扰越严重，信号处理难度越大，此外，根据雷达基本概念可知，频率越低、相同天线口径的天线增益越低，为了不损失天线增益必须增加天线口径，工程实现难度加大; 最后，增加驻留时间需要考虑到雷达覆盖空域和搜索数据量的需求，即雷达必须在特定时间内完成对特定空域的搜索，在缺乏隐身目标来袭方向先验引导的情况下，雷达的驻留时间相对有限。

3）量子雷达的技术优势
接收系统具有极高的灵敏度：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，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。

在忽略工作频段、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。

调制对象为量子态：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。

（1）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，可以再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;
（2）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。

综合而言，电子对抗中如何更有效的利用信息空间的维度，构建在多个维度空间均难以截获和分析的信号波形，是提升雷达系统在电子对抗环境下生存能力的根本问题。

二、量子雷达的现状
量子雷达是一个新兴的研究领域，其理论和实验研究处于起步阶段，有大量的问题有待解决。

1、量子雷达分类
（1）干涉式量子雷达
干涉式量子雷达使用非经典源( 纠缠或压缩)照射目标区域，在接收端进行经典的相干检测。

利用光源的量子特性，可以使雷达系统的距离分辨能力和角分辨能力突破经典性能极限( 短噪声极限，瑞利衍射极限) 。

因干涉式量子雷达的性能易受损耗与大气的影响，应用前景非常有限。

干涉式量子雷达的概念示意图和数学模型示意图，如图1所示
（2）接收端量子增强激光雷达
采用相干态光源( 经典光源) 扫描目标区域，在接收处理中，利用微观量子所具有高纬度相参特性，达到提高雷达的角度分辨率和增加雷达探测距离的目的。

到目前为止，路易斯安那州立大学和麻省理工学院分别提出了三种实现方案，即:A．接收端采用具有光子数分辨能力的探测器;B．基于零差检测的奇偶探测; C．采用压缩真空注入( SVI) 和相位敏感放大( PSA) 的零差检测。

以接收端采用压缩真空注入和相位敏感放大的零差检测量子雷达为例，分别给出了系统结构示意图和实验系统结构框图，如图2 和图3 所示。

接收端量子增强激光雷达的理论研究仍在进行，其实验研究也已经开始，是发展最快的一种方案。

（3）量子照射雷达
量子照射雷达在发射信号中使用纠缠光源扫描目标区域，在接收处理中，利用量子高纬度相
参特性，进行量子最优联合检测，从而实现目标的高灵敏探测。

目前的理论和实验研究表明，即使因为真实环境导致信号具有加大损耗，且存在背景噪声的条件下，基于量子照射的目标探测系统依然具有高灵敏度的优异特性。

基于量子照射的目标探测系统示意图，如图4 所示。

三、量子雷达存在问题与发展方向
1、量子雷达实现的关键问题是实现量子信息的调制与解调，从而实现量子信息的无线空间传输．目标的散射特性。

由于微观粒子的量子态具有其特殊性（纠缠特性、相干性）以及携带量子态信息的能量的微弱，都使得量子信息的传输和处理产生极大困难．目前利用电子自旋态实现量子信息的调制与解调，需要研究如下的问题：
1）如何确定电子自旋态，即电子自旋态的极化问题；
2）在理论上搞清楚电子自旋与电磁波的关联（即电子自旋态决定电磁波的何种特征）3）电子自旋态对电磁波进行调制与解调的方法；
4）量子编码问题（主要考虑电子自旋态排列和耦合问题）；
5）单光子在空间传输时的湮灭问题．
2、器件的实现。

量子雷达的器件包括：1）量子信息传输器件：单光子接收器件和量子信息调制解调器件；
2）量子计算器件．
目前，量子信息传输器件主要是实现了单光子接收；量子信息调制解调器件的研究和实现主要集中在光学器件上，而电子自旋态的调制解调器件的研究还处于空白．。