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量子雷达编辑词条

2012年,美国罗切斯特大学光学研究所的研究团队成功研发出一种抗干扰的量子雷达,这种雷达利用光子的量子特性来对目标进行成像,由于任何物体在接收到光子信号之后都会改变其量子特性,所以这种雷达能轻易探测到隐形飞机,而且几乎是不可被干扰的。该技术的原理与量子密钥分配加密技术比较类似,在窃听者试图改变量子特性时就会暴露自己的位置。

2012年,美国罗切斯特大学光学研究所的研究团队成功研发出一种抗干扰的量子雷达,这种雷达利用光子的量子特性来对目标进行成像,由于任何物体在接收到光子信号之后都会改变其量子特性,所以这种雷达能轻易探测到隐形飞机,而且几乎是不可被干扰的。该技术的原理与量子密钥分配加密技术比较类似,在窃听者试图改变量子特性时就会暴露自己的位置。

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,中国科学家在量子科学领域再传捷报。由电子科技集团第14研究所领衔研制的量子雷达取得突破性进展,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。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,达到国际先进水平。

量子雷达是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。

1原理

在本项研究中,工程师们使用新型侦测技术能够揭穿频率干扰等反制手段,来自纽约罗彻斯特大学的研究小组展示了如何通过光子的量子属性来获得先进的反隐身技术。对此,麻省理工学院的科学家评论认为这项新的侦测技术依赖于任何一个测量光子的行为总会摧毁它自身的量子特性,由此就可通过破坏原来光子的量子特征来重新模拟出虚假的光子属性,以达到欺骗目的。

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。

3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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词条标签: 量子雷达  光子信号  侦测技术 
 
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