学术：量子计量技术在预警机中的应用

Original 2016-09-09 ☞ 信息与电子前沿

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今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家冯博，张雪松，贾延延。本篇节选自论文《量子计量技术在预警机中的应用探讨》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第2期。下面和小编一起开始学习吧~

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量子计量学是由量子力学和计量科学交叉而产生的一门新兴学科，是近年来量子科学领域发展最为迅猛、工程应用化程度最高的研究方向之一。量子计量学主要是通过运用量子物理学的一些基本原理及现象实现感知、测距、计时、定位以及成像等一系列传统计量科学的功能。由于利用了量子纠缠、量子不确定性等量子物理的原理及现象，量子计量学可以打破现有计量体系的精度极限(如散粒噪声极限、瑞利极限等)，其测量精度、测量距离以及灵敏度等都将较传统测量体系有着极大地提升。近几年随着研究的不断深入，量子计量学的多个研究方向都取得了突破性的进展，量子信息学中的一些成果也被引入到量子计量学领域中。

探测能力是预警机最核心的作战能力之一，作为复杂的大型信息获取系统，量子计量技术必然会使现有的预警机探测体系产生重大的变化，其应用也必然会使预警机的核心能力产生极大地提升。本文从量子导航、量子雷达及量子成像等三个领域讨论了量子计量技术在预警机系统中的可能应用，并探讨了由此而引发的预警机作战能力提升及作战方式的可能改变。

量子计量技术在预警机中的应用

1、量子导航

网络中心战体系需要各作战平台间具有准确的时间、空间信息协同，而预警机作为空中核心节点，在执行探测、指控以及通信任务的过程中需要平台自身准确的定位、定姿、定时等导航信息。目前预警机系统中最主要的导航方式有卫星导航(GPS)及惯性导航两种，但随着战场局势的不断变化，现有导航系统的缺陷逐渐暴露了出来。

首先，虽然我国已经建成北斗卫星系统，但由于北斗系统尚未完善，某些情况下仍需要应用GPS导航信息，而GPS是由美国军方控制的，在战争条件下显然无法使用；

第二，随着电子战技术的不断发展，针对GPS、COMPASS等星载导航信号的欺骗技术逐渐成熟，未来战场中的星载导航信息将不再可靠；

第三，现有的星载导航系统受外界环境影响严重，在复杂的电磁、地理环境下，星载导航信息均可能无法获取；

第四，现有的惯性导航系统精度偏低。目前在机载惯导系统中普遍采用光学陀螺仪(5×10-4°/h)，其精度虽然较传统的机械陀螺仪(精度为10-1°/h)有较大提高，但仍然无法满足现有作战体系对于导航精度需求。

近年来，西方国家已经意识到现有导航系统所存在的问题，并相继展开了对新型高精度惯性导航系统的研究，而量子导航技术是目前最有发展潜力的新型导航技术之一。美国国防先期研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)、美国空军科学顾问委员会(USAF Scientific Advisory Board)以及英国国防科技实验室均针对量子导航技术成立了相关项目并开展了深入研究，目前量子导航所采用的技术途径主要有冷原子干涉及超流体两种。

（1）冷原子干涉陀螺

冷原子干涉仪的理论基础是量子力学中物质波的Sagnac效应。1991年，四个不同的科研小组分别独立地实现了原子干涉实验，第一台原子陀螺仪也于同年由F Riehle等人利用Ramsey-Borde干涉仪研制成功。到2000年时，量子陀螺仪的精度已经超过传统陀螺仪。

冷原子干涉仪的工作原理与光学干涉仪非常类似，仅是将光学干涉仪中的激光替换为冷原子。通过共振行波激发后，处于超精细低能态的原子态将跃迁到超精细高能态。用π/2→π→π/2的激光序列顺序激发冷原子束，原子波在分裂、偏移后重新汇合到传感器中，从而产生干涉并实现测量(如图1所示)。相对于光学干涉系统，冷原子干涉系统的通量和包络面积较低，但由于采用了德布罗意波，冷原子干涉仪的相位分辨能力和频率分辨仍远高于传统光学干涉仪。

相对于基于超流体原理的量子陀螺，基于冷原子干涉理论的量子陀螺在工程化角度更容易实现。目前，DARPA从不同的应用角度分别启动了HIDRA (High Dynamic Range Atomic Sensors)、C-SCAN (Chip-Scale Combinatorial Atomic Navigator)以及QuASAR (Quantum-Assisted Sensing and Readout)等三项基于冷原子干涉原理导航的课题，美国空军科学顾问委员会（USAF Scientific Advisory Board）也开展了Compact Gyro/Accel for Inertial Navigation Based on Light Pulse AI以及CHAIN (Compact High performance Atom Interferometer for Navigation)等课题，其在2015年新开展的三大研究课题中也包含冷原子干涉导航技术。同一时期在一个研究领域中投入如此大的关注及投入足以证明美国政府及军方对冷原子干涉陀螺仪技术的重视。目前，冷原子干涉导航技术已经在实验室环境取得了较大的进展，激光冷却、原子捕获等关键技术都取得了突破。但要实现冷原子导航设备的实际工程应用还需要进一步减小系统的体积、重量及功耗，其系统集成度也需要进一步的提高。

（2）超流体陀螺

超流体陀螺的理论基础是物质在超低温条件下的超流体现象，即在足够低的温度下液体的摩擦力将消失(约瑟夫效应)。超流体陀螺最早由美国加州大学的Richard Packard及其课题组在1992年提出，最初采用的材料为³He, 后由于其成本过于昂贵且所需温度过低(10^-3K)而替代为⁴He。

超流体陀螺的原理如图2所示，在带有小孔隔板的环形容器中充满超流体，当容器发生逆时针转动时，隔板带动大部分的超流体以Ω₁的角速度随之转动。由于超流体的摩擦力几乎为零，根据能量守恒定律，小孔处的超流体不会像通常的流体一样由于粘性力而发生随动，而是将产生一个顺时针的相对流速Ω₂，可以看出Ω₂与Ω₁呈线性放大的关系。在环形容器的外边固定一个方腔，方腔中安装一个柔性振膜，柔性振膜可以通过静电作用驱动超流体在小孔处进行谐振运动，其位置可以由超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）测量，从而计算出小孔中液体以及容器的旋转速度。

超流体的低粘滞系数使其具有非常好的惯性保持能力及稳定性，而这一特性可以很好地应用于惯性导航系统之中。但由于相关研究开展相对较晚，在工作原理设计、可行性验证以及精度等级的确定等方面都存在尚未解决的技术问题，其工程化应用相对于冷原子干涉陀螺更加遥远。

（3）量子导航技术对预警机作战模式的改变

相对于传统陀螺仪，量子陀螺仪具有精度高、无需接入网络、不受外界环境干扰等优势，在现有量子信息技术中量子陀螺仪的工程技术成熟度也相对较高，其对于现有预警机能力的提升具有非常大的现实意义。量子陀螺的应用将使未来预警机的作战能力产生巨大的提升，也会使预警机的使用模式产生如下变化：

1)预警机的导航模式将从以卫星导航为主变为以本平台惯导系统为主，现有GPS、北斗等卫星导航系统将被其彻底取代。

2)预警机对于作战环境的适应性将进一步加强，在复杂环境(如复杂地形、复杂气候、复杂电磁环境等)下的作战能力将大幅提升。

3)预警机导航系统的安全性将大幅提升，现有针对GPS、北斗等星载导航系统的欺骗技术将彻底失效，相关领域的电子战模式将发生重大改变。

4)预警机的时间、姿态、速度、位置等导航信息精度将大幅提升(量子陀螺仪的精度可达10^-9°/h~10^-7°/h)，由于导航信息是预警机各分系统的基准，预警机的探测精度、指控准确性以及组网通信的性能均会随之大幅提升。

5)量子陀螺除可用于平台自身导航信息获取外还可用于探测地磁变化，因此可在预警机中安装相应的设备，进一步发挥预警机在抢险救灾等民用任务中的作用。

2、量子雷达

量子雷达技术是近年来在量子计量领域新兴的一个重要研究方向，主要是利用光量子不同于经典电磁波的物理特性实现对目标的准确测量。相对于基于传统电磁理论的雷达，量子雷达不但具有更高的灵敏度及探测精度，而且具备更强的抗干扰和抗欺骗能力，量子雷达技术为隐身、小RCS目标的准确探测提供了一种新的有效技术途径。目前对量子雷达的定义尚存在一些争议，一般认为量子雷达分为三种，即单光子量子雷达、干涉式量子雷达以及量子照射雷达。

单光子量子雷达的工作方式如图3所示，在发射端制备单光子脉冲照射被测目标，经被测目标反射后被接收端的光子计数器接收。从原理上看，单光子量子增强雷达并非严格意义上的量子雷达，其工作原理更接近于传统雷达。但相对于传统雷达，单光子雷达可以通过减少发射脉冲中光子数的方式扩大被测目标的雷达反射面积(Radar Cross Section, RCS), 从而提高雷达的灵敏度以及探测距离。

干涉量子雷达的原理与马赫-曾德尔干涉仪的原理类似，相对于单光子量子雷达，其对量子效应的应用更为彻底。在发射端产生纠缠量子对A、B后，通过光子B照射目标，另一个光子A则留在发射机内。接收器捕获到反射回的光子B后，将其与留在发射机内部的光子A进行符合测量并得到其相关性，从而获取被测目标的准确位置信息(如图4所示)。由于利用了量子纠缠的特性，干涉量子雷达继承了其非局域性及高分辨率(超过标准量子极限)的特点，抗噪能力也更强。研究表明，与没有采用纠缠光子的雷达相比，采用纠缠光子的量子雷达的分辨率呈二次方增长，因此理论上干涉量子雷达的探测性能要优于单光子量子雷达。

量子照明雷达与干涉量子雷达的系统组成类似，其区别在于接收器获取反射回的光子后，不再进行相位测量，而是仅作光子数量检测。由于利用了量子纠缠效应，探测系统对于环境噪声以及传输衰减具有较强的抗干扰能力，探测灵敏度较传统雷达有非常大的提高。量子照明雷达与量子成像的原理十分相似，其技术发展也是与量子照明技术紧密相连的，最早的量子照明现象就是在量子成像的相关实验中被发现的。量子照明雷达可以用于对目标测距或成像，相对于干涉量子雷达其优势在于对发射波的频率没有特定的要求，其数据处理端的复杂性也更低。

虽然量子雷达技术的成熟度尚不及量子通信、量子计算等其他量子技术，但其工程化难度更低，在理论上也并不存在完全无法解决的技术瓶颈。早在1991年，美国海军就申请了利用量子探测提高传统雷达探测灵敏度的专利，虽然从今天的角度看该系统并非一个严格意义上的量子雷达(该系统采用经典脉冲传输)，但该专利的申请标志着美国军方对于量子雷达技术军事化应用的开始；2005年，洛克希尔马丁公司申请了一项基于量子纠缠理论的量子雷达系统，标志着大型军工企业开始涉足量子雷达领域; 2012年底，由Saikat Guha等人提出的量子雷达系统获得了美国专利局的授权，该系统包含发射模块、接收模块、数据处理模块三部分 (如图5所示)，每个模块都有非常详细的工程化方案，已经具有非常高的可实施性，基本确定了量子雷达设备的体系框架。

与传统雷达相比，量子雷达具有理论探测距离远、反隐身能力强、探测精度高、发射能量少、不易被敌方电子侦查设备发现等优势，其副瓣结构也可以用于对目标进行检测。另外，由于海森堡不确定原理以及量子纠缠态的非局域关联特性，除量子雷达的收发装置外，任何第三方的平台都无法秘密的改变纠缠量子的量子态，现有的任何电子战措施都无法对纠缠光子式量子雷达进行欺骗，从而杜绝了雷达信号被敌方截获并篡改的可能性。

由于量子雷达在性能上对传统雷达颠覆性的提升，其应用必然会对现有作战模式产生极大地影响。而对于预警机系统，量子雷达的应用将使其应用模式产生重大变化：

1)预警机对于隐身、小RCS目标的探测能力将大幅提升，其在C⁴ISR系统中的核心作用将进一步加强；

2)由于探测距离的增加，预警机可以在更加远离战场的区域执行任务，其自身安全性得到提升；

3)由于量子雷达的高灵敏度以及抗干扰能力，预警机抵抗敌方电磁干扰的能力将增强，其作战环境也将进一步拓展；

4)由于量子纠缠的安全特性，预警机将具备抵抗信息战信号欺骗的能力；

5)由于探测距离及探测分辨力(超标准量子极限)的增加，量子雷达的发射功率可以更小，预警机被敌方无源侦查设备侦测的概率大幅降低。

3、量子成像

量子成像技术是量子计量领域的另一个重要研究方向，由于采用了量子纠缠现象，量子成像技术继承了其两个重要的特性，第一是超标准量子极限的高分辨率成像能力，第二是非局域的远距离成像能力。1994年，马里兰大学的Pittman就在Klyshko所提出理论的指导下进行了最早的量子成像实验，该实验由于利用了量子纠缠的非局域性而被成为“鬼成像”。2000年，Boto等人证明了N光子纠缠系统可以突破瑞利衍射极限，并通过实验实现了“超衍射极限成像”。2014年，昆士兰大学的Michael A Taylor等人，在光子力显微镜系统中应用压缩光实现量子成像，其空间分辨率提高了14%。同年12月，马里兰大学的Sanjit Karmakar等人利用两色纠缠光子鬼成像技术，首次在不损伤细胞结构的情况下实现了高分辨率成像。

量子成像系统的基本原理图如图6所示。泵浦激光经BBO后产生一对正交二级化的信号光子及闲置光子(相对于晶体的o光及e光)，经棱镜分光后再通过汤普森棱镜将信号光及闲置光分束。信号光经照射被测物后通过透镜被收集到“桶形”探测器D₁中，闲置光所处光路不包含被测物，被可二维坐标调节的光纤收集到“桶形”探测器D₂中，两路探测器的输出被送入符合计数电路进行“信号-闲置”联合检测，从而得到孔径(被测物)的测量图像。

近年来，随着量子通信技术尤其是量子密钥分配(QKD)技术的飞速发展，其中的许多关键技术也被借鉴到量子成像领域当中。2012年，罗彻斯特大学的Mehul Malik小组分别通过BB84协议(如图7所示)以及Ekert协议(如图8所示)提出了两套保密成像系统，实现了能够防御电子拦截及电子欺骗的“保密成像”，该方案也从应用的角度证明了量子纠缠在量子成像中的价值，为量子成像技术提供了一个新的思路。

各国很早就开展了针对军事领域应用的量子遥感成像技术研究，欧盟在2001年成立了量子成像研究(QUANTIM)计划，美国国防部于2005年组织多所大学开展了量子成像大学联合研究(MURI)计划，美国陆军装备研究实验室(ARL)也于2009年开展了量子遥感成像技术的研究。相对于其他国家，我国在量子成像军事应用方面的投入还相对较少，相关研究多处于模型构想阶段。

量子成像技术在探测距离、分辨力及保密性等方面的优势将使预警机在遥感成像方面的能力得到极大地提升。另外，由于量子成像是一种分布式成像，即对目标的探测和成像是分成两个部分分别进行的，因此其成像模块不需要随探测模块一同运动，从而降低了载机的改装难度并增加了预警机的飞行性能。由于量子成像技术与量子雷达技术在原理及工作模式上有许多相似之处，未来两者很有可能会整合为一个统一的探测模块进行应用。

结语

预警机作为大型复杂信息系统，量子计量科学的发展必然会对其现有的性能及体制产生重大的影响，量子计量技术对于现有计量体系的巨大优势也必然会使预警机的作战能力得到颠覆性的提升，进而改变现有网络中心战的作战概念。在量子计量技术的冲击下，现有作战方式及体系会如何变化，预警机在新的作战体系下如何更好的发挥情报站及指控所的作用，相应的战术、战法该如何制定，这些问题应该是未来的应用要点。而我国作为新兴发展国家，如何充分利用后发优势，加大量子计量领域的科研投入力度，将其转化为未来国家战略层面的优势，是下一阶段需要重点研究的问题。