李庶中，李越強(qiáng)

(海軍研究院，北京 100036)

0 引 言

雷達(dá)是利用電磁波探測目標(biāo)的一種電子設(shè)備，具有全天候探測、識別、定位目標(biāo)的能力，在軍事和民用領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。隨著目標(biāo)隱身、電子干擾等技術(shù)的快速發(fā)展，以及遠(yuǎn)距離探測、高分辨率成像等要求越來越高，傳統(tǒng)雷達(dá)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，其固有技術(shù)瓶頸的制約愈發(fā)明顯，亟待發(fā)展新的理論和方法，以滿足不斷增長的探測能力要求。

與此同時，量子理論與信息科學(xué)的結(jié)合迎來了量子信息學(xué)的蓬勃發(fā)展[1-2], 逐步發(fā)展形成了全新的學(xué)科——量子信息科學(xué)，以量子物理學(xué)為基礎(chǔ)，采用一種革命性的方式對信息進(jìn)行編碼、存儲、傳輸和操縱，可以突破經(jīng)典信息系統(tǒng)的性能極限，具有經(jīng)典信息系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢。量子雷達(dá)作為量子技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的一種新概念雷達(dá)，通過利用電磁波的量子特性，可探測、識別和分辨射頻隱身平臺和武器系統(tǒng)。初步研究結(jié)果表明，利用糾纏光子的量子雷達(dá)的分辨率可以實現(xiàn)二次方的速率增長，而且比傳統(tǒng)雷達(dá)的目標(biāo)能見度更高。盡管量子雷達(dá)還存在很多實際的工程化實現(xiàn)問題，但在提高目標(biāo)探測能力方面具有較好的潛力，應(yīng)用前景廣闊，吸引了國內(nèi)外研究人員的濃厚興趣。

1 基本概念

1.1 概念內(nèi)涵

美國海軍研究院Lanzagorta[3]于2011年底出版的著作《Quantum Radar》中，給出了量子雷達(dá)的定義，指出量子雷達(dá)可作為一種對抗檢測系統(tǒng)，利用微波光子和某種形式的量子現(xiàn)象來提高探測、識別和分辨目標(biāo)的能力；同時，首次對量子雷達(dá)的研究進(jìn)行了全面總結(jié)，按照量子物理學(xué)的觀點分析了雷達(dá)探測的基本問題，提出了量子雷達(dá)方程、量子雷達(dá)散射截面積、量子干擾等理論、模型，標(biāo)志著量子雷達(dá)概念初步建立。

文獻(xiàn)[4]對量子雷達(dá)的內(nèi)涵總結(jié)為，量子雷達(dá)是利用電磁波的波粒二象性，通過對電磁場的微觀量子和量子態(tài)操作與控制，實現(xiàn)目標(biāo)探測、測量和成像的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為，與傳統(tǒng)雷達(dá)不同，量子雷達(dá)在發(fā)射端利用電磁波的量子統(tǒng)計特性對量子態(tài)進(jìn)行調(diào)制，信號調(diào)制維度由傳統(tǒng)雷達(dá)的時、空、頻擴(kuò)展到更高階的量子態(tài)；在接收端對量子態(tài)進(jìn)行處理，降低接收機(jī)噪聲水平，增強(qiáng)目標(biāo)與噪聲、雜波、干擾間差異，優(yōu)化目標(biāo)檢測能力，從而突破傳統(tǒng)雷達(dá)的技術(shù)限制，達(dá)到提升雷達(dá)探測性能的目的。量子雷達(dá)基本組成如圖1所示。

圖1 量子雷達(dá)基本組成圖

量子雷達(dá)是基于量子信息技術(shù)，對傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和補(bǔ)充，從本質(zhì)上看并沒有脫離經(jīng)典雷達(dá)探測的理論體系，而是通過引入量子理論、應(yīng)用量子操作與控制來提升雷達(dá)的探測性能，具備突破經(jīng)典雷達(dá)探測性能極限的潛力。

1.2 分類

現(xiàn)有研究成果對量子雷達(dá)的類別劃分各有不同，較為常見的是按量子現(xiàn)象和探測方式的不同進(jìn)行分類，例如，文獻(xiàn)[4]將量子雷達(dá)分為量子糾纏雷達(dá)、量子增強(qiáng)雷達(dá)、量子衍生雷達(dá)，同時可按探測信號形式的不同分為單光子探測量子雷達(dá)和多光子探測量子雷達(dá)；文獻(xiàn)[6-8]將量子雷達(dá)分為干涉式量子雷達(dá)、接收端量子增強(qiáng)激光雷達(dá)、量子照明雷達(dá)(Quantum Illumination Radar,QIR)。

按照經(jīng)典雷達(dá)的系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)發(fā)射端和接收端工作模式的不同進(jìn)行分類，可將量子雷達(dá)分成三類[5-6]。

一是量子發(fā)射、經(jīng)典接收(如單光子雷達(dá)，見圖2)。這類系統(tǒng)的工作方式與經(jīng)典雷達(dá)類似，不同之處在于量子雷達(dá)發(fā)射機(jī)向目標(biāo)發(fā)射的是單個光子，在發(fā)射端對電磁波進(jìn)行量子態(tài)調(diào)制，接收端采用經(jīng)典方式接收，例如偏振態(tài)編碼發(fā)射、接收端編碼模板匹配濾波，等價于光子計數(shù)模式下的相參積累，可以提高接收靈敏度。還有一個優(yōu)點，當(dāng)發(fā)射的脈沖只有較少的光子時，一些目標(biāo)看起來似乎變大了，即靠近目標(biāo)鏡面反射區(qū)域的雷達(dá)截面積比傳統(tǒng)雷達(dá)所探測的要大。

圖2 單光子雷達(dá)示意圖

二是經(jīng)典發(fā)射、量子接收(如量子激光雷達(dá)，見圖3)。在發(fā)射端采用經(jīng)典源，在接收端通過壓縮真空注入、相位敏感放大等進(jìn)行接收和處理，在降低接收端噪聲水平的同時通過目標(biāo)信號與噪聲的微觀差異提升信號檢測性能。該系統(tǒng)發(fā)射經(jīng)典相干光，但在接收端進(jìn)行壓縮真空注入(Squeezed Vacuum Injection，SVI)來降低接收端輸出的真空噪聲，同時引入相位敏感放大(Phase Sensitive Anplification，PSA) 對接收信號進(jìn)行無噪聲放大來提高信號信噪比和空間分辨率。壓縮光屬于非經(jīng)典態(tài)，在光學(xué)精密測量和引力波探測方面具有巨大潛能，能夠突破量子噪聲極限。

圖3 量子激光雷達(dá)示意圖

三是量子發(fā)射、量子接收。在發(fā)射端采用非經(jīng)典源，在接收端利用信號的量子相關(guān)性進(jìn)行匹配濾波，來提高量子雷達(dá)的探測靈敏度。干涉量子雷達(dá)和量子照明雷達(dá)都屬于此類。而大氣的吸收、散射和振動會引起糾纏態(tài)的光子損耗和相位振動，加速糾纏態(tài)退相干過程，加大相位估計誤差，使得干涉式量子雷達(dá)難以實現(xiàn)超靈敏探測[9-10]。量子照明雷達(dá)適用于高介質(zhì)損耗和強(qiáng)噪聲的環(huán)境中，在實際工程應(yīng)用中具有可行性。量子照明雷達(dá)不局限于任何特定的頻率，原則上來說可以應(yīng)用到X頻段的雷達(dá)中。理論分析認(rèn)為，在噪聲和損耗的環(huán)境中，在同等發(fā)射功率水平的條件下，量子照明雷達(dá)的分辨能力和探測性能有一定提升，但隨著傳統(tǒng)雷達(dá)的發(fā)射功率增加，量子照明雷達(dá)的優(yōu)勢將不復(fù)存在。

圖4 量子照明雷達(dá)示意圖

1.3 主要特點

從實際應(yīng)用的角度看，量子雷達(dá)的主要特點[11]有：

(1)同等條件下具有更遠(yuǎn)的探測距離。傳統(tǒng)雷達(dá)通過對電磁波的幅度、相位等宏觀物理量的檢測來探測目標(biāo)，而量子雷達(dá)檢測的是更高維度的量子態(tài)，因此，量子雷達(dá)可以檢測到更微弱的信號，理論上在同等條件下其作用距離可以提升數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

(2)同等條件下具有更低的發(fā)射功率。探測靈敏度的提升是量子雷達(dá)最為突出的優(yōu)勢之一。傳統(tǒng)雷達(dá)的探測靈敏度受到熱噪聲極限的限制，而量子雷達(dá)的探測靈敏度可逼近甚至突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在保持目標(biāo)檢測能力不變的前提下，量子雷達(dá)所需的發(fā)射功率更低，在載荷限制條件大的應(yīng)用中更具優(yōu)勢。

(3)豐富了目標(biāo)信息的維度。相比傳統(tǒng)雷達(dá)利用電磁信號在時、空、頻域上的特征，量子雷達(dá)利用的是更高維度的量子態(tài)，可以提取更豐富的目標(biāo)信息，進(jìn)一步提高了對目標(biāo)的測量能力。

(4)更強(qiáng)的抗干擾能力。在同等條件下，量子雷達(dá)的發(fā)射功率低，降低了其被截獲和偵收的概率。同時，量子雷達(dá)通過對信號的量子態(tài)調(diào)制，增強(qiáng)目標(biāo)與雜波、干擾信號的可區(qū)分度，有利于提升在復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾能力。

2 量子雷達(dá)的研究進(jìn)展

有關(guān)量子雷達(dá)的研究可追溯到1966年，但直到2000年以后國外關(guān)于量子雷達(dá)的研究才逐步系統(tǒng)化，并圍繞量子糾纏-干涉、量子照明和量子相干態(tài)接收三方面開展了一系列研究。而國內(nèi)量子技術(shù)在雷達(dá)探測領(lǐng)域的研究還處于起步階段，對量子探測的機(jī)理仍缺乏深入研究。文獻(xiàn)[12-20]對量子雷達(dá)的國內(nèi)外研究情況進(jìn)行了闡述。

2.1 國外情況

2.1.1 美國

典型代表是2007年美國國防部高級研究計劃局啟動的量子傳感器項目和量子激光雷達(dá)項目，探索了利用量子技術(shù)突破傳統(tǒng)傳感器分辨率極限的可能性。

(1)量子傳感器項目

該項目旨在研究將量子信息技術(shù)應(yīng)用于傳感器，以驗證突破傳統(tǒng)傳感器空間分辨極限的可能性。主要針對三類量子傳感器開展了研究:一是干涉式量子傳感器，在發(fā)射端采用非經(jīng)典源，接收端進(jìn)行干涉測量，結(jié)果表明，典型大氣傳輸損耗將導(dǎo)致干涉式量子傳感器不具備技術(shù)優(yōu)勢，其分辨能力低于相同發(fā)射功率的傳統(tǒng)傳感器；二是接收端量子增強(qiáng)傳感器，發(fā)射端采用經(jīng)典源，接收端采用壓縮真空注入和相位敏感放大等量子增強(qiáng)技術(shù)，證明了角度分辨率提升是可以實現(xiàn)的；三是量子照明傳感器，發(fā)射和接收端具備糾纏狀態(tài)，理論分析認(rèn)為，在噪聲和損耗的環(huán)境中，與相同發(fā)射功率的傳統(tǒng)傳感器相比，量子照明雷達(dá)的分辨能力和探測性能均有提升，但傳統(tǒng)傳感器隨著發(fā)射功率的增加可以抵消量子照明雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢。

(2)量子激光雷達(dá)項目

該項目是在量子傳感器項目的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了遠(yuǎn)距離傳輸和目標(biāo)散射等問題，為量子傳感器向量子雷達(dá)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。研究提出了基于量子數(shù)分辨探測的量子相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，實現(xiàn)了以經(jīng)典的相干態(tài)發(fā)射源為基礎(chǔ)，在接收端通過探測和分辨量子數(shù)的變化，達(dá)到空間超分辨成像的目的。理論和實驗表明，在與經(jīng)典激光雷達(dá)保持相同靈敏度的情況下，該量子激光雷達(dá)系統(tǒng)可以將目標(biāo)的空間分辨能力提高約10倍，從而達(dá)到在不損失系統(tǒng)靈敏度的條件下獲得比經(jīng)典瑞利分辨極限更優(yōu)的性能。

2.1.2 加拿大

2019年以來，陸續(xù)報道了加拿大Waterloo大學(xué)與加拿大國防研究發(fā)展局在實驗室環(huán)境中開展的微波頻段量子雷達(dá)樣機(jī)研究情況，該雷達(dá)被稱為量子雙模壓縮(Quantum Two-mode Squeezed，QTMS)雷達(dá),圖5所示為糾纏光子生成裝置。如圖6所示，發(fā)射機(jī)生成一對糾纏微波信號，其中一路信號通過喇叭天線在空間傳播0.5 m，再由另一個喇叭天線接收；另一路信號直接被測量，對上述兩個測量結(jié)果進(jìn)行相關(guān)，從而區(qū)分噪聲和信號。通過與傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)的雷達(dá)樣機(jī)對比發(fā)現(xiàn)，在兩種樣機(jī)以相同功率發(fā)射信號時，量子雙模壓縮雷達(dá)存在明顯優(yōu)勢。該雷達(dá)的核心是發(fā)射機(jī)采用的約瑟森參量放大器(Josephson Parametric Amplifiier，JPA)和制冷機(jī)，JPA生成糾纏微波信號，制冷機(jī)為JPA提供低至7 mK的低溫工作環(huán)境。

圖5 Waterloo大學(xué)糾纏光子生成裝置

圖6 Waterloo大學(xué)樣機(jī)的收發(fā)天線(相距0.5 m)

2.2 國內(nèi)情況

文獻(xiàn)[5]介紹了一種基于超導(dǎo)單光子探測器的量子雷達(dá)系統(tǒng)，在青海湖開展了探測試驗(圖7)，采用光子計數(shù)方法進(jìn)行目標(biāo)檢測，發(fā)射端發(fā)射一串固定重復(fù)頻率的光脈沖，經(jīng)目標(biāo)散射后的光子在探測器完成接收和光子計數(shù)，并按發(fā)射信號的脈沖重復(fù)頻率對計數(shù)結(jié)果進(jìn)行相干累加，根據(jù)光子的個數(shù)判斷目標(biāo)的有無，實現(xiàn)了真實大氣環(huán)境下對132 km目標(biāo)的有效探測(圖8)，驗證了基于單光子檢測的探測技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)的可行性。與常規(guī)雪崩管探測器相比，超導(dǎo)單光子探測器對系統(tǒng)的探測威力平均提高一倍，為遠(yuǎn)程光電探測提供了一種有效手段。

圖7 青海湖試驗環(huán)境

圖8 對132 km目標(biāo)探測的試驗結(jié)果

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士研究團(tuán)隊發(fā)表了超過200 km遠(yuǎn)距離單光子三維成像的研究成果。據(jù)報道，該團(tuán)隊2019年在城市環(huán)境中實現(xiàn)了45 km的單光子三維成像，突破了英國研究團(tuán)隊保持的10 km最遠(yuǎn)距離記錄。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了全新的單光子雷達(dá)系統(tǒng)，在新疆的高山環(huán)境中實現(xiàn)了201.5 km距離處的目標(biāo)三維成像，成像靈敏度達(dá)到了平均每個像素0.4個信號光子。

國內(nèi)量子技術(shù)在微波雷達(dá)探測領(lǐng)域的研究還處于起步階段，雖然在量子雷達(dá)體制研究、量子態(tài)調(diào)制技術(shù)、量子態(tài)傳輸與散射特性、量子檢測技術(shù)等方面開展了一系列理論研究工作，但仍有待于進(jìn)一步深入研究。

3 應(yīng)用預(yù)測

3.1 初步結(jié)論

(1)從工作頻率看，一段時期內(nèi)主要方向還是光頻段的量子雷達(dá)應(yīng)用。鑒于微波頻段量子雷達(dá)的技術(shù)成熟度仍然較低，加拿大基于JPA的量子雷達(dá)也僅僅是非常接近于實驗性實現(xiàn)的水平，其應(yīng)用尚待時日。而量子激光雷達(dá)實現(xiàn)了特定條件下對真實目標(biāo)的有效探測，技術(shù)成熟度相對較高。

光頻段生成糾纏信號相對容易，很多文獻(xiàn)報道的研究是針對量子激光雷達(dá)，而發(fā)展微波頻段的量子雷達(dá)仍具有較大技術(shù)挑戰(zhàn)，目前還沒有關(guān)于微波頻段量子雷達(dá)開展完整試驗的公開報道。生成微波頻段糾纏信號主要有兩種途徑：一是加拿大Waterloo大學(xué)采用的約瑟森參量放大器(JPA)，但JPA還無法達(dá)到商業(yè)貨架采購的要求，且必須冷卻至低溫狀態(tài)；二是采用光學(xué)-微波變化，例如基于機(jī)械諧振器的電-光機(jī)械變換器，使微波諧振腔和光學(xué)諧振腔的信號產(chǎn)生糾纏，實現(xiàn)光學(xué)-微波變換，但對于遠(yuǎn)程探測而言，受到光學(xué)存儲的制約，光學(xué)存儲的損耗嚴(yán)重限制了探測的最大作用距離。

(2)從探測對象看，當(dāng)前主要方向是應(yīng)用于對有限區(qū)域或有限目標(biāo)的探測。目標(biāo)的散射特性與雷達(dá)的探測性能緊密相關(guān)，不同于經(jīng)典雷達(dá)宏觀意義下的目標(biāo)散射特性，量子散射過程可能是以彈性碰撞取代傳統(tǒng)的波動衍射特性，目前仍有待研究和驗證。而關(guān)于可能的反隱身探測能力，主要根據(jù)量子信息技術(shù)的特點，即一方面是利用量子技術(shù)可以降低接收噪聲，等效于提高回波信噪比；另一方面是利用量子技術(shù)增加信息維度，降低探測信號被敵方準(zhǔn)確分析和復(fù)制的可能性。

(3)從主要用途看，目標(biāo)高分辨成像是可能的主要應(yīng)用之一。量子成像具備突破經(jīng)典成像分辨率極限的潛力，優(yōu)勢顯著。國內(nèi)外已開展了量子糾纏光“鬼成像”、贗熱光“鬼成像”、日光“鬼成像”、計算“鬼成像”等諸多可見光和紅外頻段的量子成像方法研究，有可能應(yīng)用于對地觀測領(lǐng)域。同時，近年來將量子成像理論引入雷達(dá)技術(shù)中，開展了微波關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的研究和探索，可實現(xiàn)對動、靜目標(biāo)的成像能力，已成為量子雷達(dá)的重要研究方向。

3.2 需解決的重點問題

(1)實際環(huán)境下的適應(yīng)性問題。以偏振特性為例，受大氣分子、氣溶膠、云層等大氣環(huán)境和地表結(jié)構(gòu)、粗糙度等地表特征的影響較大，同時，還與光波長有關(guān)。選取合適的量子態(tài)進(jìn)行調(diào)制和檢測，適應(yīng)實際環(huán)境的特點，才能實現(xiàn)有效探測。有關(guān)環(huán)境適應(yīng)性問題的研究報道較少，需要依賴大量的外場實驗數(shù)據(jù)和理論分析，這是量子雷達(dá)走向應(yīng)用的必要環(huán)節(jié)。

(2)典型目標(biāo)的量子散射特性問題。目標(biāo)散射特性是雷達(dá)探測目標(biāo)的基礎(chǔ)和條件，而量子雷達(dá)瞬間發(fā)射的一小束光子，與目標(biāo)的相互作用是光子-原子的散射過程，由量子電動力學(xué)決定，與傳統(tǒng)的雷達(dá)散射截面積存在顯著差異。而雷達(dá)探測涉及的目標(biāo)類型多樣，需要按照不同的應(yīng)用場景針對性地開展典型目標(biāo)的散射特性實驗研究。

(3)典型場景的使用方式問題。目前量子雷達(dá)還處于前期研究階段，無法達(dá)到完全替代現(xiàn)有雷達(dá)探測功能的水平，但有可能在有限范圍內(nèi)作為現(xiàn)有探測系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，通過與現(xiàn)有探測系統(tǒng)的相互協(xié)同，以揚(yáng)長避短，從而形成更好的探測能力。

4 結(jié)束語

量子雷達(dá)作為一個新興的研究領(lǐng)域，其理論和研究正在逐步深入，但是從各類文獻(xiàn)總結(jié)的研究情況看，短期內(nèi)還無法實現(xiàn)從理論走向工程應(yīng)用。本文從應(yīng)用研究出發(fā)，提出了應(yīng)用需求和使用構(gòu)想，可為量子雷達(dá)系統(tǒng)理論和技術(shù)研究的發(fā)展提供牽引和指導(dǎo)，明確技術(shù)攻關(guān)的方向和重點，為量子雷達(dá)系統(tǒng)的研制提供堅實基礎(chǔ)。