“量子雷达”的曙光，理解理论与现实

本文探讨了量子雷达的基本原理、应用与优势、需克服的挑战与未来技术。

关于量子雷达技术的讨论都从被描述为光子的“缠绕对”开始，它们是两个光子，每个光子都是可以处于可测量的物理性质（位置，动量，自旋，极化）的两个量子态之一，但是每个粒子的状态依赖于（相关）另一个的状态，即使它们彼此分开。

缠绕光子对通常通过称为参数向下转换的过程产生，其中激光束穿过非线性晶体（通常是β硼酸钡）。该方法用于在可见光范围内产生缠绕光子对。对于量子雷达应用，这些光子必须下转换为微波频率。

加拿大滑铁卢大学的量子计算研究所（IQC）的克里斯威尔逊，在论文“量子增强噪声雷达”中描述了使用超导电路直接在微波范围内产生缠绕光子对的工作成果。作为超导铝的片上微波电路构建的非简并约瑟夫森参量放大器被用作量子微波源。该过程中的一个挑战是必须在极冷的低温恒温器下进行。

理论上，使用缠绕光束，你可以得到目标的整个动量矢量，不仅是它的多普勒速度，而是它的整个动量矢量，所有三个维度以及目标运动的 那些维度 的所有三个幅度。

对量子雷达的讨论变得更加可变，至少在一般媒体中，对量子雷达操作机制的截然不同的解释或描述会经常发生。

在一种方法中，该过程开始于成对的缠绕光子被分开时，每对中的一个直接沿着存储路径发送（空闲光子），而伙伴光子被转换为微波频率（微波光子）并作为传统波形向目标传输。

前提是，在与目标相互作用时，微波光子的量子态将以某种方式（例如相位或极性）改变。在源处接收来自目标的反射返回信号，并且将光子反向转换到它们的原始频率状态，然后可以将其与它们未改变的闲散缠绕对的频率进行比较，以提供关于它们遇到的信息。

然而，还有另一种量子雷达理论的描述，它描述了一种“远距离的怪异动作” 链接 （阿尔伯特爱因斯坦创造的一个术语），其中一个分裂的缠绕对的一个光子作为“光子束”传输。

然而，在这种情况下，无论它们之间的距离如何，所传输的光子以某种方式连续且瞬时地与其缠绕对保持通信。传输的光子不会返回其源，但未传输的光子本身也会根据其缠绕对看到的环境而发生变化，从而提供有关它遇到的可能目标的信息，而没有任何已知的连接。因此称为“怪异”的描述。

由于他们的量子雷达项目工作，洛克希德团队定义了两大类量子雷达（称为QuDAR）。

然而，正如洛克希德·马丁公司（马里兰州贝塞斯达）的首席科学官Ned Allen博士所描述的那样，作为2005年DARPA战略技术办公室（STO，研究量子雷达观念和主意）项目的一部分，洛克希德·马丁公司研究了“远距离的幽灵行动”这一概念，他们称之为“不归路雷达”。

根据艾伦的说法，他们认为，“这是对爱因斯坦狭义相对论的一种忤逆，而狭义相对论远比量子物理学更加准确和可信。在研究了一段时间并将来自各大学和其他顶级科学实体的一组主题专家拉到一起之后，我们没有进一步研究这个问题，因为我们认为根据物理定律这是不允许的。

今天艾伦也认识到“物理学目前正处于动荡时期，并且正在重新考虑其中的许多问题。他还指出：“虽然尚不清楚我们已经理解了足够的物理学来实际完全排除它，但鉴于当时可以获得的物理表现形式我们是非常有信心，然而至今这仍然是不被承认的。”

由于他们的量子雷达项目工作，洛克希德团队定义了两大类量子雷达（称为QuDAR）-Class1是所有量子效应保留在雷达发射器/接收器上的地方，Class2是“量子资源”（光子）通过有损介质（即大气）从点A传输到点B。

艾伦说如今正在开发Class1量子雷达，“ 但它不叫量子雷达，而是发射/接收模块上电子器件的‘灵敏度的提高’，例如一个更好的低噪声放大器。 ” 滑铁卢大学IQC副教授Jonathan Baugh对此表示赞同：“这是'量子雷达'系统开发的近期效益之一，其中更灵敏的探测器和量子启发的信号处理方法可能会被用来改善经典的雷达能力。”

Class1量子雷达技术可能会对隐身目标探测产生影响 ，正如艾伦所指出的那样，“从数学的角度来看，隐身只是目标雷达截面（RCS）的减少，因为它是信号噪声比（SNR）决定目标是否可检测，如果你通过降低具有良好量子功能的接收器/发射器雷达中的内部噪声来增加SNR，则可以检测越来越小的目标。Class1量子雷达可能有助于打败一些隐身方法。

Class2量子雷达可以进一步区分缠绕对（闲散光子和透射光子）在时间和距离上保持其相干性的程度。 在一种情况下，从目标返回的检测到的反向散射光子将完全保持它们的相干性。这将测量目标的更多方面，而不仅仅是它的存在和多普勒效应。正如艾伦所描述的那样，“量子相互作用本质上是沿着无限多个维度测量目标的存在，而不仅仅是幅度和相位，而是量子装置（光子）的无数个属性。

原则上，使用纠缠光束，你可以得到的是目标的整个动量矢量，不仅是它的多普勒速度，而是它的整个动量矢量，所有三个维度以及目标运动的那些维度的所有三个幅度。

除了去相干之外，量子雷达的另一个挑战是光子通量，即每单位时间产生和传递的纠缠光子的数量。 正如IQC的Baugh所解释的那样，“假设你每隔纳秒发送一次光子（1-GHz速率），但如果只有1/1000或1/10000实际上被反射回给你，那么你只是检测到大约每毫秒一次光子。为了建立一个有用的图像，你需要非常快速地发出光子，以便在合理的时间内获得足够的信息。”

Baugh正在与加拿大国防研究与发展部（DRDC）机构***同开展一项研究项目，以开发一种改进的量子光源，其中一种应用是量子雷达。该项目的目的是提供纠缠光子的“非常高速率”信号，虽然该方法的细节尚未公布，但由于IQC尚未公布该技术，Baugh将其描述为“类似于半导体，纳米电子器件，工作在单电子水平，允许将电信号转换为光子或一对纠缠光子。”

由于光源工作在光学而不是微波状态（大约850 nm - 接近IR，仅在可见光的边缘），直接应用将是激光雷达，但Baugh说“ 最终这个想法是世界上其他群体正在致力于从可见光到微波频率的相干量子波长转换的研究，他们研究的成果将成为我们技术的途径。 ”

今天，在研究量子雷达技术的发展状况和可能的实际实现时，最有希望的方法，通常被认为是在可预见的未来最可实现的方法，被称为量子照明雷达（QIR）。

QIR的纠缠对的返回发射光子不需要保持与其他闲置光子的一致性，以便提供关于发射光子遇到的目标的重要信息。

Baugh说QIR可以提供许多优于传统雷达的优势。“通常情况下，使用常规雷达，激光雷达或任何类型的遥感，发出一个能量脉冲，其中包含数十亿或数万亿个光子；这是从物体上反射电磁辐射的经典方法。回到探测器，允许测量飞行时间并计算到物体的距离，随着时间的推移计算其速度和方向。

相比之下，QIR雷达在单光子水平上运行，所以从成对的纠缠光子开始， 由于量子力学的原理，这些光子本身具有比它们本来更强的相关性。如果传回的光子被反射回来，可以对两个光子进行联合测量，显示这两个光子实际上是否最初是相关的，这样就可以分离出任何不相关的光子 ，但可能只是背景噪声。

由于尺寸缩小到非常低的功率（单光子）水平，量子雷达在信噪比方面提供了显著的改善。

从根本上说去相关性在很大程度上与我们尚未真正理解的热力学第二定律相关，如果有人能够找到克服的方法，研究将会非常方便。

尽管如此，Baugh所强调，“QIR雷达不会取代传统的雷达。相反，我们的想法是增强传统雷达在特定体系受到挑战的能力，例如在低信噪比环境中有一个非常强的背景信号。想要用于检测的相同频率范围，或者试图检测隐形目标，或者想要使检测本身隐身。”

Baugh指出QIR的另一个优点是，由于单光子束工作的“微小”功率水平，QIR可以提供探测，同时自身仍未被检测到。“目标不知道它被照亮了，因为用于检测它的每单位时间的光子数量太少而几乎不可能测量。QIR比传统的雷达或激光雷达低9-10个数量级的功率。”

在Bhashyam Balaji 的2018年的论文中总结了QIR的前景如下：“量子照明雷达绝对可以建造，但是，建立一个QIR将需要协调一致的努力（即雷达工程指标）和合适的投资。

在最佳量子雷达设计或最佳量子信号处理方面还有许多未知之处。然而，“最优不应该是更好的敌人”。这些努力将需要雷达工程师掌握微波量子光学，这是在市场非常重要的应用，收益将是巨大的。