华人科学家取得量子雷达的新突破

光子盒研究院出品

量子雷达这个概念已经提出有一段时间了。可惜我们对这一概念的探索所产生的理论和实践结果有些让人失望。

但是，美国亚利桑那大学电气和计算机工程助理教授庄群涛和麻省理工学院电气工程教授Jeffrey H. Shapiro合作发表的一篇新论文证明，在低信噪比条件下(在雷达经典范围的边缘)，采用量子技术可以使雷达的精确度显著提升。

这篇论文已于1月5日发表在《物理评论快报》[1]。

雷达，最简单的说，就是发射辐射脉冲，从物体上反射回来。探测反射信号，并测量飞行时间。飞行时间随后被转换成距离，而雷达天线在接收到反射时指向的方向告诉我们物体的方向。

雷达的最大缺点在于，信号以距离的四次方迅速衰减。这是因为我们发出的辐射的功率是发射器和物体之间距离的平方。然后，在反射后，它再次下降为距离的平方，并且必须返回到接收器。你会被平方反比定律击垮两次。

我们用一个非常粗略的估计来具体说明一下：配备1千瓦发射器和增益为10的天线的雷达需要能够探测到几纳瓦(10^-9瓦)的接收功率，才能在5公里处看到1平方米的物体。

量子雷达利用量子纠缠来提高接收器的灵敏度。为了让量子雷达工作，我们不再把所有光子都发射出去寻找物体。相反，我们只发送纠缠光子对中的一个来反射物体；另一个保留在接收器处。当发出的光子返回时，它比接收器可能探测到的任何其他光子都更完美地匹配它的伙伴(与之纠缠的光子)。我们可以高灵敏度地探测这些匹配，称为相关性。

在微波工程方面，可以说它比最好的窄带滤波器更好。换句话说，量子雷达不会增加信号的绝对水平，但它确实提高了区分信号和噪声的确定性。

从表面上看，量子雷达的概念听起来令人兴奋。早期的计算表明，纠缠的确定性应该提高2-4倍。这很好，但在实际应用中纠缠光子会增加额外复杂性。更糟糕的是，量子雷达的第一批实验都使用了光频率而不是微波频率，这是因为光频率的工作距离很短，信号损失很小。即使在最好的情况下，光频率的噪声也比微波低几个数量级。

因此，微波频率的实际应用意味着巨大的损失。对微波频率不感兴趣的雷达工程师发出的抗议声震耳欲聋。

为了让量子雷达再次吸引大家的兴趣，理论家们深入研究了雷达理论和实践。事实证明，距离精度(对距离的平均估计)和距离分辨率(分辨两个物体的距离)并不完全同步的。当返回信号与背景噪声的比率低于某个阈值时，距离精度会变得非常糟糕。在这一点上，量子纠缠似乎有着很大的优势。

为了提高准确性，必须拉伸脉冲并发出啁啾声。本质上，你可以在脉冲期间从高到低扫描雷达频率(这种类型的脉冲也被用于一些经典雷达)。这会在时间上拉伸每个光子，使其频率变得更好定义。这也使得与之纠缠的另一个光子得到更好的定义，这样它们就可以更确定地被联合探测到。

从表面上看，这会降低准确性。在现在非常长的整个脉冲持续时间内，单个光子可以在任何时候被探测到。但是微波脉冲每一个频率由数十亿个光子组成，因此有很多单个光子需要探测。这些单个光子的探测时间的统计变化随光子数的增加而缩小，从而可以生成准确的飞行时间。

当信噪比降到经典阈值以下进行精确探测时，量子雷达显示了它的优势。当信号比噪声大四倍时，量子雷达的精度比经典雷达高500倍。即使信噪比为1，量子雷达仍然比经典雷达精确三到四倍。假设发射器功率相同。

量子雷达的优势实际上取决于脉冲的拉伸程度。研究人员通过计算W波段雷达定位小型无人机(雷达截面为1平方厘米)的量子优势来证明这一点。

在100米处，无人机被来自量子雷达的10毫秒脉冲探测到，其精度比传统雷达高约60倍。

但效用窗口是有限的；当无人机在1公里外时，只有当雷达脉冲长约两分钟时，才能获得相同的优势，此时无人机已经消失了。

10毫秒的脉冲持续时间可提供20dB的量子优势

更大的问题是实用性。为了完成这项工作，研究人员需要高功率的最大纠缠微波光子源。

目前，最好的纠缠光子源在光频率下工作，每秒发射高达一百万个光子，对应于大约飞瓦(10^-15瓦)的功率。我们现在的能力和我们需要的性能之间仍有很大差距。

幸运的是，微波源实际上比光源更容易构建(并且具有更长的工程历史)。科学家已经证明了纠缠的微波源。未来，也许我们可以期待量子雷达的新突破。

作者简介

庄群涛，2013年本科毕业于北京大学，2018年获得麻省理工学院物理学博士学位，之后在加州大学伯克利分校从事博士后工作。目前他是美国亚利桑那大学电子计算机工程系和光学学院的助理教授。

研究方向是量子信息处理和量子光学。包括：

1.通过纠缠增强量子传感。

2.量子通信、量子香农理论、量子密钥分发。

3.量子混沌与信息置乱。

4.量子资源理论。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.010501

[2]https://arstechnica.com/science/2022/01/entangled-microwave-photons-may-give-500x-boost-to-radar/

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