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中国试验量子雷达新技术 或将成为隐形飞机克星

  标准集团纺织仪器资讯:据香港媒体报道,在《物理学评论通讯》本月初发表的一篇论文中,来自安徽省合肥市中国科学技术大学的一个研究团队详细描述了他们的试验,试验首次表明,弱值测量法——一种新兴的量子测量技术——可以探测到此前无法探测到的信号。

  报道称,这项技术利用非常“轻柔”的方法反复测量次原子微粒的量子态,对于极弱信号的探测,比如隐形飞机的雷达特征,可能格外有效。

  江苏省南京大学一位没有参与这项研究的量子学家提醒说,这是“实验室成果,还不成熟,现在还不能立即投入实地使用”,不过这位量子学家又说,这项研究有可能“扩大量子雷达的探测距离”。

  中国科学技术大学的量子学家已经制造出世界上首个量子卫星,今年8月份发射成功,还打造出世界上距离最长的地面量子通信网络。

  报道称,根据中国电子科技集团公司的资料,中国科学技术大学的研究人员还参与开发了中国首部量子雷达系统。

  今年早些时候,中国电子科技集团公司宣布,中国量子雷达技术的有效探测距离达到100公里,是境外量子雷达原型探测距离的5倍。

  中国认为,美国及其盟友的隐形飞机对中国的地区利益构成重大威胁。日本上个月接收了首架F-35隐形战斗机,今后,中国很可能被更多的隐形战斗机与轰炸机包围。

  报道称,量子雷达系统产生成对的、处于纠缠状态的光粒子,即光子。光子对中的一个光子被发射出去,另一个则留在雷达站。锁定目标位置后,一些光子就会反射回来,通过与雷达站内保留的纠缠光子进行匹配,就能确认是光子的“身份”。通过测量反射的光子,研究人员可以计算出目标的物理属性,比如大小、形状、速度和攻击角度等。

  但是,量子雷达有一个主要难题是反射的光子数量较少,并且与目标的距离越大,反射的光子数量越小。理论上的极限距离称作散粒噪声极限,如果超过这个距离,即便在最优质的观测条件下也无法探测到目标。

  报道称,除了散粒噪声极限的问题,光子携带的信息也可能被光子之间产生的亚原子噪声掩盖,探测装置无法进行可靠的测量,原因是光子像随机发射的弹丸一样撞击探测装置,所谓散粒正是由此得名。

  由郭光灿教授和李传锋教授率领的中国科学技术大学研究团队宣布,他们使用高精密的量子弱测量技术突破了散粒噪声极限,即便在光子数量非常少的情况下也能实现精确探测。

  报道称,该技术源于量子物理学中的一个悖论。在亚原子世界中,测量意味着破坏。对亚原子颗粒进行测量会不可避免地破坏它的初始量子态。

  但在上世纪80年代,科学家终于找到解决办法。采用弱测量方法不会造成量子态的坍缩。虽然每一次弱测量只能取得少量的信息,但是对同一些粒子进行反复测量,就能够得到关于属性的稳健统计量,即正确的猜测值。

  但是,早期的弱测量方案效率很低。只能测量探测距离内很少比例的光子,其余的光子都被废弃了。

  报道称,近些年,科学家研究出一种名为能量循环测量的新方法,将光子放在一种特制的装置中进行循环,从而减少废弃的光子数量。

  中国科学技术大学的研究团队进行了激光束偏折测量试验,证明这种方法可以突破散粒噪声极限。他们说,不仅探测到信号强度不到散粒噪声极限一半的信号,并且将精确度提高到了1.5倍。

  南京大学的那位教授说,这一技术“肯定”可以用于量子雷达。

  报道称,不过,清华大学一位量子学家对这一技术短期内投入实用表示怀疑。

  这位要求匿名的量子学家说:“到目前为止,我还没有听说弱测量学有任何实际应用。弱测量仍然是测量,会不可避免地改变测量对象的状态,因而限制了这门技术的应用前景。”

  “弱测量向我们展示的究竟是真实的物理观测,还是只是数学幻象,现在仍然有争议。”

  中国试验量子雷达新技术

  用途

  研究人员计划将来用该技术于识别隐身作战飞机,当截获到敌方防空雷达信号时,将信号的量子特征进行修改,并自动形成一只鸟的信号发送往敌方雷达,这样似乎可以达到传统的隐身目的,但新型量子雷达却很容易揭穿这一诡计。麻省理工学院的研究人员认为这是第一次使用量子力学研制的成像系统,成果是令人印象深刻的,可以不受到任何雷达干扰措施的影响。然而,量子侦测技术所需的设备可以由全球范围的实验室研制出来,但还没有装备到军队。

  中国量子雷达

  上月,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。

  量子雷达的分类

  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以下3个类别:

  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。

  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。

  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。中电14所实际上应用的是上述三种模式中的一种。

  量子雷达的技术优势

  目前,经典雷达存在一些缺点,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。针对经典雷达存在的技术难点,量子信息技术均存在一定的技术优势,可以通过与经典雷达相结合,提升雷达的探测性能。

  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。

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