來自：國際電子戰
對量子雷達感興趣的人首先應該知道的是，這是一個極其複雜的話題，涉及到尚未完全建立或未被徹底理解的物理科學，許多人只能用方程的語言來討論，在某些方面甚至可能被認為是玄學。但是，量子物理處於科學知識的最前沿，世界上最偉大的一些學者正在研究這一課題。量子技術也是未來軍事應用中最重要的技術之一，對戰場空間的影響有可能超過隱身技術。
本文嘗試描述和解釋量子雷達技術的基本原理、可能的應用和帶來的好處、技術實現過程中必須克服的一些挑戰以及在可預見的未來最有可能實現的技術能力。
糾纏
對量子雷達技術的討論應該從糾纏光子對開始。糾纏光子對是兩個光子，每個都處於可測量物理特性（位置、動量、自旋、極化）的兩個量子態之一。但是，一個光子的狀態依賴於另一個光子的狀態，即使它們彼此是分開的。糾纏光子對通常是由參量下轉換過程產生的。激光束通過非線性晶體（通常是硼酸鋇）的方法能在可見光範圍內產生糾纏光子對，但對於量子雷達應用，這些光子必須向下轉換為微波頻率。加拿大滑鐵盧大學量子計算研究所的Chris Wilson在其論文《量子增強噪聲雷達》中描述了利用超導電路在微波範圍內直接產生糾纏光子對的研究工作。Wilson採用非簡併約瑟夫森參量放大器作為超導鋁片上微波電路的量子微波源，這種方法面臨的一個挑戰是必須在極冷的低溫恆溫器（毫開爾文量級）中進行。
理論和實際
通常，媒體對量子雷達工作機理的闡述往往大相徑庭。一種簡單直接的說法是，當糾纏光子對被分開時，一個直接存儲起來（閒置光子），而另一個被轉換成微波頻率（微波光子），並以傳統的微波波形射向目標。微波光子在與目標相互作用時，其量子態將以一種或多種方式發生變化（例如相位或極化）。從目標處反射回來的信號被接收後，將微波光子轉換回初始的頻率，並與閒置光子進行比較，就可以獲得目標的信息。
對量子雷達機理的另一種描述是“幽靈般超距作用”（愛因斯坦創造的術語），即糾纏光子對被分開時，一個以“光子束”的形式傳輸，而另一個則被保存下來。無論它們之間的距離有多遠，兩個光子之間都以某種方式保持著連續的、瞬時的信息同步。被傳輸的光子無需返回與保存的光子進行比較，保存的光子會直接隨著傳輸光子所遇到的環境而改變其狀態，從而在沒有任何已知連接的情況下提供目標的信息。
洛馬公司首席科學家Ned Allen博士表示，作為2005年DARPA戰略技術辦公室量子雷達概念審查項目的一部分，洛馬公司召集了一批來自不同大學和其他頂級科學實體的專家，評估了“幽靈般超距作用”或“無回波雷達”的概念。團隊經過研究後斷定，這完全違反了愛因斯坦的狹義相對論，而狹義相對論比量子物理學更能經受住實驗的檢驗。團隊認為，“無回波雷達”是不符合物理定律的。然而，Allen也認識到物理學目前正處於一個動盪的時期，這些問題正在被重新審視。他指出，儘管目前還不清楚我們對物理學的瞭解是否足以完全排除這種可能性，但目前的物理學原理仍然不支持“無回波雷達”的出現。
量子雷達的類型
洛馬公司的研究團隊將量子雷達分為兩大類：第一類是所有量子效應都發生在發射機/接收機中；第二類是“量子資源”（如光子）通過有損介質（如大氣）從A點傳輸到B點。
Allen說，目前正在開發第一類量子雷達，但業界通常並沒有直接稱之為量子雷達，而稱作是“用量子技術提高發射/接收模塊中電子器件的靈敏度”，例如可以實現更好的低噪聲放大器。滑鐵盧大學量子計算研究所的Jonathan Baugh副教授對此表示贊同，並指出這是量子雷達系統開發所帶來的近期效益之一，更靈敏的檢測器和量子啟發的信號處理方法可能適用於經典雷達的能力提升。
Allen指出，第一類量子雷達技術可以改善對隱身目標的探測。從數學的角度來看，隱身技術只是降低了目標的雷達散射截面積（RCS），而真正決定目標能否被探測的因素是信噪比。可以使用基於量子的接收機/發射機來降低雷達的內部噪聲，這相當於增加了信噪比，從而可以檢測到很小的目標。因此，第一類量子雷達可能有助於擊敗一些隱身技術。
根據糾纏光子對（閒置光子和傳輸光子）在時間和距離上保持相干性的程度，可以進一步對第二類量子雷達進行區分。在理想情況下，從目標返回的後向散射光子將完全保持相干性。這將允許對目標多方面的特性進行測量，而不僅侷限於目標的存在性和多普勒效應。正如Allen所說：“量子相互作用過程的本質就是從無限多個維度上測量目標的存在，而不僅是振幅和相位。理論上，使用糾纏光束可以得到目標的完整動量矢量，即三個維度上目標運動的幅度，而不僅僅是徑向的多普勒速度。”
這正是量子雷達為人們所津津樂道的光明前景。正如Allen所言：“如果完全糾纏的量子雷達光束確實能夠在實際距離內成功發射和接收，這將意味著隱身技術的徹底失敗。”雖然前景是光明的，但道路是曲折的。Allen繼續說道：“要實現這種純量子雷達，需要解決相干退化問題，而這並非易事。”相干退化是指傳輸光子在穿過損耗介質時引起糾纏光子的“量子屬性”或“相干糾纏性”的損失。Allen說：“相干退化與熱力學第二定律有著深刻的聯繫，但人類還沒有真正理解這種聯繫。如果有人能找到克服相干退化的方法，那將是舉世矚目的成就。”洛馬公司正在開展相關的研究工作，旨在克服相干退化問題。
光子通量
除了相干退化，量子雷達面臨的另一個挑戰是光子通量問題。光子通量是指單位時間內產生和傳輸的糾纏光子的數量。Baugh解釋道：“假設每微秒發射一個光子，但只有千分之一或萬分之一的光子能夠被反射回來，則每毫秒左右才能探測到一個光子。為了建立可用的目標圖像，需要以極快的速度發出光子才能產生足夠的通量，以便在合理的時間內獲得足夠的信息。”
滑鐵盧大學量子計算研究所的國家實驗室
Baugh正在與加拿大國防研究與發展部共同開展一個研究項目，旨在開發一種改進的量子光源，以極高的速率提供糾纏光子。該技術的細節尚未公佈，Baugh稱這種量子光源是一種工作在單電子水平上的納米半導體器件，能將電信號轉換成光子或糾纏光子對。這種量子光源工作在光波段（波長約為850納米，位於可見光的邊緣），可以直接應用於激光雷達。但Baugh認為，最終的技術路徑還是需要把光波通過相干量子波長轉換變頻到微波，世界各地的團隊正致力於相干量子波長轉換技術的研究。
雖然Baugh的量子光源也必須在冷卻條件下才能工作，但這與產生微波光子所需的冷卻程度相差甚遠。Baugh希望這種量子光源能夠在4開爾文的溫度（相當於液氦的溫度）下工作，實現這個溫度要容易得多。
到目前為止，Baugh的團隊已經演示了量子光源所涉及的獨立組件，現在正在努力將這些組件集成到一個功能設備中，2019年內就可以進行系統功能演示。
量子照射雷達
縱觀量子雷達技術的發展狀況和可能的實現方法，最有前途的方法是量子照射雷達，這在可預見的未來是最有可能實現的方法。量子照射雷達不要求返回的傳輸光子與閒置光子保持相干性，但仍可以提供目標的信息。
加拿大國防研究與發展部雷達感知與利用團隊的Bhashyam Balaji在他的論文《量子雷達：萬金油還是好主意？》中寫道：“一部分信號光子被反射回來，接收後可以與閒置光子進行相關處理。令人驚訝的結果是，在低信噪比條件下，原始的糾纏在靈敏度方面表現出了顯著的優勢。即使是在理論上，這個結果也相當具有吸引力，因為在低信噪比的情況下提高靈敏度一直是可望而不可及的目標，而糾纏和其他量子效應通常是脆弱的，容易受到噪聲的破壞。儘管從目標區域收集到的後向散射微波光子與本地存儲的閒置光子之間已不存在糾纏，但這種靈敏度優勢仍然存在。”
Baugh指出，光子波束的相干退化程度取決於所採用的相關性。例如，極化糾纏的相干性很容易發生退化。你可以棄用極化糾纏，而選用時間相關性——同時產生兩個光子，剔除掉其它時間片的光子。這兩個光子雖然不是真正意義上的糾纏光子，但性能更加穩健。當然，這種方法需要解決光子損失的問題，其有效性取決於有多少光子被吸收或散射到大氣中。在天基應用中這種方法會表現得更好。
Baugh認為，總體而言，量子照射雷達比傳統雷達有很多優勢。通常情況下，使用傳統雷達、激光雷達或任何一種遙感技術，都需要發送一個能量脈衝，其中包含數十億或數萬億個光子。目標會反射一部分電磁能量回到檢測器，從而可以根據電磁脈衝的傳輸時間計算目標的距離，隨著時間的推移，還可以計算出目標的速度和方向。相比之下，量子照射雷達工作在單光子水平，量子力學的原理為這些糾纏光子賦予了極強的相關性。如果信號光子被反射回來，就可以對這兩個光子進行聯合測量，判定這兩個光子最初是否相關，這樣就可以剔除掉來自背景噪聲的光子。由於工作在非常低的功率電平（單光子），量子雷達可以極大地改善信噪比。
此外，Baugh還指出量子雷達的另一個優勢，由於單光子波束功率電平很低，量子照射雷達可以在不暴露自身的情況下進行探測。量子雷達的功率比傳統雷達或激光雷達低9～10個數量級，目標不會覺察到被照射，因為單位時間內用於探測目標的光子寥寥無幾，幾乎不可能被檢測到。
儘管如此，Baugh還是認為量子照射雷達不會取代傳統雷達，二者會在探測體系中實現優勢互補。量子照射雷達可以作為傳統雷達的補充，以應對傳統雷達所不擅長的目標或場景，例如低信噪比環境以及隱身目標探測。
Balaji在2018年發表的一篇論文中總結了量子照射雷達的前景：“量子照射雷達肯定是可以實現的，但這需要協調一致的努力和適度的投資，還需要雷達工程師掌握微波量子光學。在最優量子雷達設計和最佳量子信號處理方面仍有很多未解之謎，但這並不妨礙我們做出更好的雷達。量子照射雷達有一些非常重要的應用，可以提供顯著且獨特的優勢。”
閱讀更多 電磁者說 的文章
