科普 · 看懂量子雷達

2017-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在介紹量子雷達之前首先科普下量子和量子糾纏:

量子(quantum)是現代物理的重要概念。最早是德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的,只能取能量基本單位的整數倍。后來的研究表明,不但能量表現出這種不連續(xù)的分離化性質,其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現出這種不連續(xù)的量子化現象。這同以牛頓力學為代表的經典物理有根本的區(qū)別。量子化現象主要表現在微觀物理世界。

量子糾纏是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現象,雖然粒子在空間上可能分離。糾纏是關于量子力學理論最著名的預測。它描述了兩個粒子互相糾纏,即使相距遙遠距離,一個粒子的行為將會影響另一個的狀態(tài)。當其中一顆被操作(例如量子測量)而狀態(tài)發(fā)生變化,另一顆也會即刻發(fā)生相應的狀態(tài)變化。愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅似的遠距作用”(spooky action at a distance) 。但這并不僅僅是個詭異的預測,而是已經在實驗中獲得的現象。

中科大量子信息實驗室的老大郭光燦院士曾經打過一個比方比喻,說在美國的女兒生下孩子那一瞬間,遠在中國的母親就變成了姥姥,即便她自己還不知道。之所以她是姥姥別人不是,而且她一定會成為姥姥,就是因為她和女兒之間有一種“糾纏”關系。

研究現狀

量子雷達是21世紀后萌發(fā)的新概念武器系統(tǒng),為了應對隱形戰(zhàn)機逐漸普遍化的世界,防守方需要對抗的需求。

2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統(tǒng)模型。2012年美國羅切斯特大學光學研究所的研究團隊聲稱研發(fā)出一種抗干擾的量子雷達理論,這種雷達利用光子碰觸到目標后產生的量子態(tài)變換來偵測,可以表征量子“漲落變化”等微觀資訊,所以整個量子雷達靈敏度極高,噪聲基底極低,又幾乎不可能被電波干擾裝置擾亂,再加上能忽略工作頻段、雜波等,此種雷達探測隱形戰(zhàn)機的范圍理論上可達數十倍。

2012年東京大學的團隊采用超導回路,取得了微波頻段單光子態(tài)與后續(xù)壓縮態(tài)產生、接收技術的元件新突破。2013年意大利的Lopaeva博士在實驗室中達成量子雷達成像探測,證明其有實戰(zhàn)價值的可能性。

2016年8月中國電科14所“智慧感知技術重點實驗室”發(fā)布成功研制單光子檢測量子雷達系統(tǒng)成品,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,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(huán)境下探測試驗,獲得了百公里級探測威力,探測靈敏度極大提高,指標均達到預期效果。

分類

1、量子雷達發(fā)射非糾纏的量子態(tài)電磁波。發(fā)射機發(fā)射單光子脈沖探詢目標可能存在的區(qū)域,如果目標存在,則信號光子將會以一定的概率返回至接收機處,通過對返回光子狀態(tài)的測量可以提取出目標信息。

2、量子雷達發(fā)射糾纏的量子態(tài)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(tài)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(fā)射機發(fā)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。

3、雷達發(fā)射經典態(tài)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(tǒng)的性能,目前,該技術在激光雷達技術中有著廣泛的應用。

其他

為了占領戰(zhàn)略制高點,洛克希德·馬丁公司已經在2008年申請了相關的專利,該專利設想了糾纏不同的用途。目前的雷達系統(tǒng)變得和范圍的增加用處不大,因為頻率需要長距離傳輸不太敏感。根據專利這個問題可以通過在不同的頻率纏結的光,然后一起發(fā)送出來作為束被除去。該專利表示:“糾纏雷達波可以進行更有效的傳播較低頻率結合一個或多個顆粒具有相對高的頻率分辨率,與一種或多種的顆粒?！?然后,雷達波束可能會“通過傳播不同類型的介質,解決不同類型的目標。

量子雷達是將量子信息技術引入經典雷達探測領域,解決經典雷達在探測、測量和成像等方面的技術瓶頸,提升雷達的綜合性能。量子雷達屬于一種新概念雷達,首要應用是實現目標有無的探測,在此基礎上可以進一步擴展應用領域,包括量子成像雷達、量子測距雷達和量子導航雷達等,從本質上來說,量子雷達并沒有脫離經典雷達探測的框架體系,只是在利用量子理論進行系統(tǒng)分析時,對雷達中一些概念和物理現象,如接收機噪聲等,具有全新的、更準確的理解。在此基礎上,量子雷達從信息調制載體和檢測處理等方面入手,提升雷達的性能?？傮w而言,量子雷達是對經典雷達理論的更新和補充,而不是顛覆和取代。(來源:電波之矛)

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