摘要
隨著量子理論基礎(chǔ)的奠定以及量子技術(shù)的發(fā)展，人們嘗試?yán)昧孔恿W(xué)規(guī)律來(lái)進(jìn)一步提升雷達(dá)探測(cè)能力，量子雷達(dá)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。首先，給出量子雷達(dá)的定義，并將量子雷達(dá)技術(shù)按照量子技術(shù)在雷達(dá)中的實(shí)現(xiàn)方式分為量子糾纏雷達(dá)、量子增強(qiáng)雷達(dá)和量子衍生雷達(dá)。其次，闡述量子雷達(dá)獨(dú)有的特點(diǎn)并將其與經(jīng)典雷達(dá)進(jìn)行對(duì)比。再次，針對(duì)量子雷達(dá)不同技術(shù)分支重點(diǎn)綜述其主流技術(shù)以及實(shí)用化進(jìn)程。最后，總結(jié)量子雷達(dá)相比經(jīng)典雷達(dá)在探測(cè)、成像等方面的優(yōu)勢(shì)，并指出量子雷達(dá)技術(shù)在發(fā)展中亟待解決的理論技術(shù)難題，同時(shí)對(duì)量子雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。
引文格式：劉偉濤，聶鎮(zhèn)武，孫 帥. 量子雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].國(guó)防科技，2023,44（4）：5-22.
研究背景
量子精密測(cè)量技術(shù)利用量子力學(xué)規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間、頻率、距離等關(guān)鍵物理量遠(yuǎn)超經(jīng)典方法精度的測(cè)量。由此發(fā)展起來(lái)的量子雷達(dá)近年來(lái)在理論框架、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用方面不斷取得突破性進(jìn)展，引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。量子雷達(dá)是一種在信號(hào)發(fā)射端對(duì)電磁波的量子態(tài)進(jìn)行調(diào)制，在信號(hào)接收端利用單光子探測(cè)或其他量子探測(cè)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、噪聲抑制，最終在探測(cè)距離、測(cè)量精度、抗干擾等方面實(shí)現(xiàn)性能提升的新型雷達(dá)技術(shù)[1]。
總體來(lái)說(shuō)，量子雷達(dá)具有下述優(yōu)勢(shì)：第一，量子雷達(dá)以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，可以利用量子糾纏效應(yīng)突破散粒噪聲限制以達(dá)到更高的探測(cè)精度；第二，量子力學(xué)豐富了量子雷達(dá)的信號(hào)調(diào)制手段，有效擴(kuò)充了獲取信息的探測(cè)維度；第三，量子糾纏結(jié)合特定的探測(cè)策略以及量子探測(cè)器件，能夠有效抑制背景噪聲、干擾信號(hào)甚至偽裝信號(hào)，使在極低信噪比條件下的目標(biāo)探測(cè)成為可能；第四，量子雷達(dá)通常所需回波光子數(shù)少，具有低功耗的特點(diǎn)，便于集成至無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等低功率搭載平臺(tái)；第五，利用量子糾纏將不同頻段的光子進(jìn)行關(guān)聯(lián)，有望解決雷達(dá)探測(cè)中探測(cè)距離與探測(cè)精度難以兼顧的難題；第六，借助光的波粒二象性，量子技術(shù)可以應(yīng)用于各頻段電磁波，頻譜范圍可涉及X射線至微波。
主要研究?jī)?nèi)容
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，大量理論方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量子雷達(dá)技術(shù)相對(duì)經(jīng)典雷達(dá)技術(shù)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿薮螅诨纠碚搯?wèn)題、技術(shù)研究、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面尚存難點(diǎn)，尚未得到實(shí)際應(yīng)用。
量子雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)取得了一定程度的發(fā)展。理論上來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)發(fā)射端和接收端都采用量子技術(shù)是3種量子雷達(dá)中性能提升最大的方案，其發(fā)展主要受限于技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難。量子增強(qiáng)雷達(dá)作為最具發(fā)展?jié)摿Φ牧孔永走_(dá)方案，以其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能提升明顯而成為了實(shí)用進(jìn)程最快的量子雷達(dá)方案，已在軍事、航天以及商業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。量子衍生雷達(dá)抓住了量子糾纏雷達(dá)的核心——關(guān)聯(lián)，在經(jīng)典條件下利用關(guān)聯(lián)提升雷達(dá)成像性能，降低了技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，因而受到廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。
與經(jīng)典雷達(dá)相比，量子雷達(dá)具備以下特點(diǎn)。第一，量子雷達(dá)中獨(dú)有的量子探測(cè)手段可以檢測(cè)到更加微弱的信號(hào)，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)距離。第二，量子雷達(dá)可以發(fā)揮量子糾纏的優(yōu)勢(shì)，可以有效地從接收信號(hào)中區(qū)別出干擾信號(hào)、偽裝信號(hào)、噪聲信號(hào)，并增強(qiáng)真實(shí)信號(hào)，具有防欺騙、抗干擾、抗噪聲等特點(diǎn)。第三，無(wú)論是在信號(hào)接收端還是發(fā)射端，量子雷達(dá)都只需要對(duì)少量的信號(hào)光子進(jìn)行調(diào)制、接收，因此，通常發(fā)射功率低，系統(tǒng)尺寸與質(zhì)量也相對(duì)較小，不僅便于系統(tǒng)集成，也天然具備反偵察優(yōu)勢(shì)。第四，量子雷達(dá)以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，可以突破散粒噪聲極限并可以在理論上達(dá)到海森堡極限，提高了雷達(dá)系統(tǒng)在距離、速度上的探測(cè)精度。第五，量子雷達(dá)可以利用量子力學(xué)原理將目標(biāo)的信息調(diào)制到回波信號(hào)中，結(jié)合豐富的量子探測(cè)手段獲取更多的信息，拓展雷達(dá)探測(cè)獲取信息的維度。第六，量子雷達(dá)可以利用量子糾纏將不同頻段的光子進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使信號(hào)光子不受大氣擾動(dòng)傳播，而參考光子可以提供更高的空間分辨率，有望解決雷達(dá)探測(cè)中探測(cè)距離與探測(cè)精度之間的矛盾。第七，由于光的波粒二象性，盡管不同頻段的電磁波特性差異巨大，量子力學(xué)依然可對(duì)其有效描述。這使得量子技術(shù)可以應(yīng)用于各頻段電磁波，進(jìn)一步拓寬了雷達(dá)工作電磁頻譜。
盡管量子雷達(dá)的發(fā)展?jié)摿薮螅惨J(rèn)真考慮其應(yīng)用地位，以充分發(fā)揮其高精度、抗干擾的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)工作表明[7]，量子雷達(dá)的理論優(yōu)勢(shì)通常都在極低信噪比、強(qiáng)干擾條件下才可成立。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，經(jīng)典雷達(dá)的理論探測(cè)能力上限是不低于量子雷達(dá)的。因此，量子雷達(dá)更適合作為經(jīng)典雷達(dá)的補(bǔ)充，而不是全方位替代經(jīng)典雷達(dá)。此外，量子雷達(dá)所需元器件的工作條件相對(duì)苛刻，系統(tǒng)容易受到外界的擾動(dòng)而失去量子資源帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。讓量子雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜工作環(huán)境下保持穩(wěn)定有效將是量子雷達(dá)技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)，否則量子雷達(dá)技術(shù)可能難以走出實(shí)驗(yàn)室。
要完全發(fā)揮量子雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)還有諸多理論和工程問(wèn)題有待研究。一是相關(guān)基本原理尚未體系化。探測(cè)方式優(yōu)化、成像基本過(guò)程、系統(tǒng)信息處理、目標(biāo)響應(yīng)模型等核心理論問(wèn)題有待進(jìn)一步研究與討論。二是關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。光場(chǎng)多自由度穩(wěn)定糾纏的光源是量子雷達(dá)技術(shù)走向應(yīng)用的核心技術(shù)，相應(yīng)量子接收機(jī)的設(shè)計(jì)與制備是決定量子雷達(dá)性能的關(guān)鍵。三是實(shí)用化量子系統(tǒng)還需進(jìn)一步論證。研究人員雖然提出了許多量子雷達(dá)系統(tǒng)方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，但實(shí)用化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)較少，距離真正落地還存在一定差距。
版權(quán)聲明：本文全文刊發(fā)于2023年第3期《國(guó)防科技》期刊，作者：劉偉濤，聶鎮(zhèn)武，孫帥，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)務(wù)必注明“轉(zhuǎn)自《國(guó)防科技》期刊”
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