量子雷達(dá)：洞察千里的“火眼金睛”

　　上圖：俄羅斯ZHUK 35 3D(FGA-35 3D)雷達(dá)系統(tǒng)，是一款集成了量子技術(shù)的新型雷達(dá)，可以繪制遠(yuǎn)端目標(biāo)的3D圖像。資料圖片

　　據(jù)外媒報道，俄羅斯空軍有關(guān)部門負(fù)責(zé)人在接受媒體采訪時表示，俄羅斯新一代戰(zhàn)斗機(jī)計劃于2025年前實現(xiàn)首飛。其中特別提到，為有效提高發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程弱小目標(biāo)能力，俄羅斯將為該機(jī)裝備集成量子技術(shù)的新型雷達(dá)。

　　作為一項新的研究成果，量子雷達(dá)不僅具備在干擾環(huán)境下判別復(fù)雜目標(biāo)和探測弱小目標(biāo)的能力，還能通過繪制目標(biāo)的3D圖像確定目標(biāo)類型。

　　從世界上第一部雷達(dá)問世至今，歷經(jīng)數(shù)十年的創(chuàng)新發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)在理論及應(yīng)用等方面都已取得長足進(jìn)步，廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，其中在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用最具前沿性、引領(lǐng)性。

　　但近年來，隨著武器裝備發(fā)展的日新月異，傳統(tǒng)雷達(dá)探測性能逐漸趨于經(jīng)典物理學(xué)極限，關(guān)鍵指標(biāo)能力提升難度越來越大。面向偵察與反偵察、干擾與反干擾、摧毀與反摧毀的信息化戰(zhàn)場，量子雷達(dá)被認(rèn)為是可以賦能未來戰(zhàn)場的利器。那么，什么是量子雷達(dá)?它有哪些優(yōu)點與特長?未來又會以怎樣的面貌置身戰(zhàn)場?請看解讀。

　　傳統(tǒng)雷達(dá)與量子技術(shù)的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”

　　近年來，量子理論與信息科學(xué)的結(jié)合，帶來了量子信息學(xué)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了諸如量子保密通信和量子計算等新理論、新技術(shù)。其中，量子技術(shù)與雷達(dá)探測的“結(jié)合”，促成了量子雷達(dá)的誕生。

　　量子雷達(dá)是多個學(xué)科交叉的前沿課題，學(xué)科基礎(chǔ)涉及量子物理、電子科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程等多個領(lǐng)域。

　　關(guān)于量子雷達(dá)的內(nèi)涵，在學(xué)術(shù)界的諸多文獻(xiàn)中有著明確定義——量子雷達(dá)是將傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與量子信息技術(shù)相結(jié)合，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)物體探測、測量和成像的遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)。簡單地說，量子雷達(dá)就是一種利用量子現(xiàn)象，進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)感知和信息獲取的特殊傳感設(shè)備。

　　曾有國外媒體報道，量子信息技術(shù)的出現(xiàn)，有望大幅提高雷達(dá)系統(tǒng)對物體的探測能力，在未來空間探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　相比于傳統(tǒng)雷達(dá)，量子雷達(dá)以電磁場微觀量子作為信息載體，進(jìn)行探測時發(fā)射由少量光子組成的探測信號，接收端采用光子探測器進(jìn)行接收，并通過量子系統(tǒng)狀態(tài)估計與測量技術(shù)，獲取回波信號光子態(tài)中的物體信息。

　　也就是說，量子雷達(dá)更加關(guān)注發(fā)射和接收信號的微觀特性，主要從“微觀”視角觀測物體及環(huán)境，相當(dāng)于用一把刻度極為精細(xì)的尺子去“測量”，獲得我們感興趣的物體信息。

　　目前，根據(jù)所利用的量子現(xiàn)象和探測信號形式以及信息獲取方式的不同，量子雷達(dá)可以分為3種——

　　量子糾纏雷達(dá)。這種量子雷達(dá)探測目標(biāo)時，發(fā)射糾纏的量子態(tài)電磁波，發(fā)射機(jī)發(fā)射信號光子探詢物體，“備份”光子保留在接收機(jī)中。如果物體將信號光子反射回來，那么通過對信號光子和“備份”光子糾纏測量可以實現(xiàn)對物體的檢測。也就是說，通過測量那些并沒有“看見”物體的光子，就可以告訴我們物體的樣子。當(dāng)前，量子糾纏雷達(dá)范疇主要包括干涉量子雷達(dá)和量子照射雷達(dá)等。

　　量子增強(qiáng)雷達(dá)。這種雷達(dá)使用光子探測器接收回波信號，利用量子增強(qiáng)檢測技術(shù)提升雷達(dá)系統(tǒng)的性能。目前該技術(shù)在激光雷達(dá)、太赫茲雷達(dá)中已開展較為廣泛的研究。此外，量子增強(qiáng)雷達(dá)還包括基于高精度時頻基準(zhǔn)傳遞的量子增強(qiáng)陣列雷達(dá)。

　　量子衍生雷達(dá)。這種雷達(dá)從量子物理理論發(fā)展而來，可以顯著提升傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的性能，但其并不依靠真實量子物理體系來實現(xiàn)，目前量子衍生雷達(dá)在雷達(dá)成像領(lǐng)域發(fā)展較快。

　　在繼承中發(fā)展，在發(fā)展中創(chuàng)新

　　雷達(dá)技術(shù)誕生于20世紀(jì)初，在二戰(zhàn)期間獲得應(yīng)用。在雷達(dá)用于探測飛機(jī)之前，人們采用聲音探測器來提供預(yù)警，但其最大工作距離非常有限。

　　1903年，一位德國人設(shè)計了一種發(fā)射—接收系統(tǒng)，成功探測到物體反射回來的電磁波，由此他研制了一種無線電波定向探測的設(shè)備，并申請了專利。自那以后，人類便開始長期致力于雷達(dá)的探索與研究，并逐漸拓展雷達(dá)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　世界上第一部作戰(zhàn)雷達(dá)是英國“本土鏈”雷達(dá)，其作為第一個完整的防空系統(tǒng)，在戰(zhàn)爭中可有效預(yù)警來襲飛機(jī)，表現(xiàn)出色。1940年，美國麻省理工學(xué)院建立了輻射實驗室，主要從事雷達(dá)研究。雷達(dá)也因為在二戰(zhàn)期間發(fā)揮的重要作用，被譽(yù)為“拯救與改變了世界的發(fā)明”。

　　在二戰(zhàn)結(jié)束后的數(shù)十年間，雷達(dá)技術(shù)在航空、航天、航海等諸多領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用，同時由于局部戰(zhàn)爭刺激和科技進(jìn)步，雷達(dá)技術(shù)也不斷向前跨越式發(fā)展，相繼出現(xiàn)了相控陣、脈沖多普勒、合成孔徑等雷達(dá)，在軍事和民用領(lǐng)域發(fā)揮著廣泛的作用。

　　在雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步的同時，其面臨的威脅也越來越多，特別是電子干擾、低散射材料等技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)雷達(dá)探測性能急劇下降。在大量的科研實踐中，人們發(fā)現(xiàn)，基于物體在收到光子信號后可以改變物體的量子特性這一原理，量子雷達(dá)可以探測到物體極弱的散射回波，且不易受到干擾。于是，量子雷達(dá)開始成為國內(nèi)外諸多機(jī)構(gòu)競相研發(fā)的重點。相對于傳統(tǒng)雷達(dá)，量子雷達(dá)與之具有明顯的不同。

　　——信息載體與信號體制不同。傳統(tǒng)雷達(dá)基于電磁波的波動性，通過對被探測體在時域、頻域、極化域等方面進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，以獲取被探測物體的信息;量子雷達(dá)則更加注重電磁波的粒子性，尤其是利用量子糾纏等特殊量子效應(yīng)，獲取更為豐富的信息。

　　——信號處理手段與信息獲取方式不同。傳統(tǒng)雷達(dá)的信號檢測機(jī)理大多是基于信噪比最大準(zhǔn)則，利用回波信號宏觀的相參特征實現(xiàn)參數(shù)估計;量子雷達(dá)通常不需要復(fù)雜的信號處理過程，而是利用精準(zhǔn)的量子測量手段，從回波中“測量”出攜帶的信息。

　　——發(fā)射機(jī)與接收機(jī)結(jié)構(gòu)和器件不同。在量子雷達(dá)領(lǐng)域，量子效應(yīng)將導(dǎo)致傳統(tǒng)器件無法有效工作，這就需要研制出符合量子電動力學(xué)規(guī)則的量子器件。

　　盡管量子雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)確有諸多不同，但從本質(zhì)上來說，量子雷達(dá)仍屬于傳統(tǒng)雷達(dá)探測與成像的理論體系范疇。換言之，量子雷達(dá)是對傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)的繼承、發(fā)展、補(bǔ)充和創(chuàng)新，而不是簡單的顛覆、取代和淘汰。

　　量子雷達(dá)或?qū)⒏淖兾磥響?zhàn)場

　　量子雷達(dá)被譽(yù)為未來戰(zhàn)場洞察千里的“火眼金睛”，“看得清”更“看得遠(yuǎn)”。

　　量子雷達(dá)“看得清”。量子雷達(dá)可超越經(jīng)典成像系統(tǒng)的衍射極限，獲得分辨率很高的物體圖像信息，能夠在復(fù)雜背景噪聲干擾中，快速精準(zhǔn)地辨別出探測目標(biāo)。

　　量子雷達(dá)“看得遠(yuǎn)”。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，量子雷達(dá)在發(fā)射較低功率信號的情況下，對遠(yuǎn)程目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)距離可大幅提升，理論上探測距離可達(dá)上千公里。

　　舉例而言，在未來的空中戰(zhàn)場上，使用量子雷達(dá)就好比加裝了“千里眼”，能夠在千里之外，對敵方目標(biāo)的一舉一動了如指掌。這對于未來戰(zhàn)機(jī)稍縱即逝的戰(zhàn)場，勝負(fù)其實已經(jīng)立判高下。

　　量子雷達(dá)“看得清”“看得遠(yuǎn)”背后，是其具備傳統(tǒng)雷達(dá)無法比擬的優(yōu)勢和潛力——

　　系統(tǒng)靈敏度高。在量子雷達(dá)系統(tǒng)中，噪聲來源主要為接收系統(tǒng)器件中短電流引起的散粒噪聲以及外部環(huán)境帶來的熱噪聲，這些噪聲統(tǒng)稱為量子噪聲。與傳統(tǒng)雷達(dá)接收機(jī)相比，量子雷達(dá)接收系統(tǒng)具有極低的噪聲基底。同時，量子雷達(dá)能夠解決傳統(tǒng)雷達(dá)在低可見目標(biāo)檢測方面的問題，量子雷達(dá)的特性使雷達(dá)對削弱的回波信號解析能力大大增強(qiáng)。

　　成像分辨率高。傳統(tǒng)雷達(dá)成像與量子雷達(dá)成像本質(zhì)上來講都是對電磁場所攜帶信息的提取，但二者獲取物體信息的物理機(jī)制不同。傳統(tǒng)成像技術(shù)建立在電磁場的確定性理論模型之上，利用電磁場的一階關(guān)聯(lián)信息，通過記錄輻射場的光強(qiáng)或相位分布獲取物體的圖像信息;而量子成像技術(shù)則建立在電磁場的量子統(tǒng)計不確定性理論之上，利用了電磁場的高階關(guān)聯(lián)信息，通過輻射場分布的強(qiáng)度、相位的空間統(tǒng)計特性獲得物體圖像信息，因而量子雷達(dá)可以獲得超越傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)衍射極限的成像分辨能力。

　　抗干擾能力強(qiáng)。傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)使用經(jīng)典物理原理來發(fā)送和接收電磁波，通過分析返回的信號來檢測目標(biāo)的位置和速度，而量子雷達(dá)則利用量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)等量子效應(yīng)，以實現(xiàn)更高的精度和隱蔽性。量子雷達(dá)可以通過將目標(biāo)與特定的量子態(tài)進(jìn)行糾纏，然后發(fā)送這些糾纏態(tài)的光子來實現(xiàn)探測。由于糾纏態(tài)的特殊關(guān)聯(lián)性質(zhì)，量子雷達(dá)系統(tǒng)在探測目標(biāo)時具有更強(qiáng)的抗干擾性，同時使得目標(biāo)更容易被探測到。

　　重量輕功耗低。量子雷達(dá)通常所需回波光子數(shù)少，可以有效降低整個雷達(dá)探測系統(tǒng)的功耗。將量子雷達(dá)應(yīng)用于無人機(jī)、衛(wèi)星等低功率搭載平臺，有望大幅提升輕型平臺的探測性能。

　　現(xiàn)如今，量子雷達(dá)逐漸進(jìn)入人們視野，在未來戰(zhàn)場或?qū)l(fā)揮重要作用，但當(dāng)前量子雷達(dá)工作體制、物體探測與成像等諸多機(jī)理性問題仍不完全明晰，相關(guān)理論、技術(shù)、系統(tǒng)的研究方興未艾，理論研究成果與實際系統(tǒng)應(yīng)用還有一定距離，諸如微觀量子態(tài)的制備與檢測、量子系統(tǒng)信息獲取問題等距離真正落地尚需時日?！?王 越整理)