量子雷達簡介

 一、 前言

繼中國自主研製的世界首顆量子衛星「墨子號」成功發射後，中國科學家在量子科學領域取得突破性進展，量子雷達是基於量子力學基本原理，主要依靠收發量子信號實現目標探測的一種新型雷達。量子雷達具有探測距離遠、可識別和分辨隱身平台及武器系統等突出特點，未來可進一步應用於飛彈防禦和空間探測，具有極其廣闊的應用前景，作為洞察未來戰場的「千里眼」，量子雷達技術勢必掀起各軍事強國變革雷達技術的時代潮流。 自1934年美國開發出首部脈衝雷達以來，世界各國競相發展雷達技術，隨著隱身技術和電子干擾技術的迅猛發展，隱形戰鬥機逐漸展露頭角，傳統雷達遭遇前所未有的挑戰。量子雷達是量子度量學的另一個重要研究方向，其本質是將光量子作為光頻電磁波微觀粒子對目標進行探測，利用它不同於常規雷達電磁波的物理特性，提升對目標的探測性能，同時提高雷達的抗干擾和抗欺騙能力。量子現象能夠大幅度提高傳感器靈敏度，促使量子傳感器得到優先研發，如磁力計、光電探測器和密度計等。量子雷達比傳統雷達的目標能見度更高，量子雷達具有優越的電子對抗性能，非常適合軍事應用，因此受到各國軍方的高度重視。

 二、 量子雷達簡介

量子雷達是21世紀後萌發的新概念武器系統，美軍近年積極發展先進隱形戰機，如F-22、F-35、B-2等，還有巡弋飛彈和無人機的隱身技術，隱形飛機主要通過波束控制和隱身塗料達到「隱身」目的。一方面採用邊緣平行、武器系統內置、減少平面和稜角等方式降低雷達對飛機的探測能力，另一方面可通過吸波材料吸收雷達照射的電磁波，從而使隱形飛機藏身在茫茫空中。傳統雷達不僅會因探測回波減少而測不到信號，還可能受假信號干擾而產生誤判。傳統雷達在探測隱身目標、對抗干擾和誘餌方面遇到了技術瓶頸，在面對隱形戰機時常常變成「睜眼瞎」。研製可探測隱形飛機的新一代雷達成為各軍事大國加強防空力量的當務之急。 俄羅斯衛星網報導，中國目前使用的天波雷達雖已取得重大進步，能夠發現隱形飛機，像是今年2月美軍F-22隱形戰機闖關事件，據傳中方就是使用天波雷達發現，即由中國電子科技集團第38所研製的JY-26相控陣雷達，功效比美規高5倍，不過，天波雷達的缺點就是體型過大，準確度有時失效，因此正朝量子雷達研發，由於量子雷達的敏感度很高，發現隱形戰機的可靠性也很高；量子雷達使用後，可能意味著「隱形的終結」。通過這項新技術可以探測到各種類型的雷達隱形物體，解碼光子的量子特徵，確保信號的真實性。目前使用的常規雷達容易受到箔條干擾形成虛假的信號，或者通過改變機體外形達到降低雷達回波的目的。麻省理工研究人員指出使用量子力學研製的成像系統可不受任何雷達干擾。 三、量子雷達原理 (一)量子成像的原理和優勢 量子成像是基於雙光子符合探測恢復待測物體空間信息的一種新型成像技術，其物質基礎是糾纏的光子對。產生糾纏光子的方法很多，其中自發參量下轉換（SPDC）方法是最常用的一種。自發參量下轉換雙光子場是一種非經典場，它由單色泵浦光子流（Ar量子雷射器）和量子真空噪聲對非中心對稱的非線性晶體的綜合作用，使得每個入射光子以一定機率自發地分裂為能量較低的兩個光子，由這些在時間和空間上高度相關的光子對所構成的場就是自發參量下轉換雙光子場。它具有從泵浦波頻率一直到晶格共振頻率的寬範圍光譜分布。 傳統雷達利用電磁波的波動性，通過測量目標回波的幅度、頻率、相位、極化等參數來獲取目標信息，但由於不能詳細反映目標信息的空間序列特性，因此探測能力有限。根據電磁波的波粒二象性，如果對其粒子性進行測量，可以獲得信號的動量和位移，其中包含了目標信息的空間序列特性。以此作為目標探測的信息載體，將會獲得目標狀態的大量精準信息，這就是量子雷達的工作機理。 量子雷達具有常規雷達無法比擬的靈敏性，這是因為信息以量子信息的形式調製在單個光子狀態上，接收機識別單個光子的能量模式，而常規雷達的信息是調製在大量光子組成的電磁波上，接收機識別大量光子組成的能量模式，因此量子接收機對信息的感知更靈敏。量子雷達的另一個顯著優勢是其固有的抗干擾性。這來源於光量子的一個奇異特性，即在測量光子的同時往往會改變其量子特性，通過對量子特性的檢測可以發現是否受到干擾，這對雷達對抗日益嚴重的欺騙式干擾非常有效。 (二)量子雷達的原理和優勢 量子雷達具有常規雷達無法比擬的靈敏性，這是因為信息以量子信息的形式調製在單個光子狀態上，接收機識別單個光子的能量模式，而常規雷達的信息是調製在大量光子組成的電磁波上，接收機識別大量光子組成的能量模式，因此量子接收機對信息的感知更靈敏。當量子光特性轉換成真空波動時，會影響到電磁場幅度的測量，所以現代大多數傳感器的靈敏度都受到標準量子極限的限制。而量子雷達採用糾纏光子時，可以克服標準量子極限限定的相位測量極限，達到海森堡極限，這就是其重要的超靈敏性。 量子雷達的另一個顯著優勢是其固有的抗干擾性。這來源於光量子的一個奇異特性，即在測量光子的同時往往會改變其量子特性，通過對量子特性的檢測可以發現是否受到干擾，這對雷達對抗日益嚴重的欺騙式干擾非常有效。量子雷達未來的工作頻段最可能處於微波頻段（如X波段），從而繼承了微波的許多優點，如微波光子能夠穿透雲層和霧氣，具有全天時、全天候的工作能力，比光學傳感器具有更好的穿透性，使飛彈制導、海事監測、氣象、地面警戒和機場交通導航等成為其潛在的應用領域。 量子雷達存在的問題有:(1)發射功率大(～10kW),電磁泄漏大(2)體積大,機動性差(3)對抗反隱身能力差(4)成像能力弱(5)信號處理複雜,實時性弱。量子雷達的優點可將環境對雷達信號的干擾降至最低；有抗隱身目標；有成像功；可減小發射功率，具有便攜機動能力。做到這些方面，關鍵是進一步提高接收機靈敏度，使雷達接收機達到其靈敏度極限。未來接收機靈敏度的提高需要電子器件的集成度進一步提高，電子器件集成度進一步提高不可避免地使器件出現量子效應，這將導致電子器件功能失效。量子雷達可探測、識別和分辨射頻隱身平台及武器系統，具有廣泛的應用前景。目前的量子雷達系統主要包括利用單個光子照射目標的單光子量子雷達和發射量子態光子的糾纏態光子量子雷達。相比於單光子量子雷達，糾纏態光子量子雷達具有解析度更高、有效探測距離更遠等優勢。隨著量子雷達技術的不斷成熟，未來部署到地面和水面作戰艦艇的量子雷達，可對幾乎所有的空中目標進行探測，並可持續跟蹤目標的軌跡和行蹤。其強大的反隱身技能是隱形戰機的「剋星」。裝備了量子雷達的作戰飛機，相當於擁有了一雙戰場「遠視眼」，可實現對極遠距離目標的提前打擊，作戰潛力驚人。

 四、量子雷達的關鍵技術

(一)量子信息調製

量子信息調製包括量子信道編碼、量子信息調製和量子信號發射。其中，量子信息編碼又包括電子自旋態辨識和量子信息編碼，電子自旋態辨識就是要通過一定的方法產生100%單一極化的自旋狀態，目前的方法還不能滿足這一要求；量子信息編碼的目的是通過量子編碼糾正或防止量子資訊理論中普遍存在的消相干引起的量子錯誤。量子信息調製就是將電子的自旋與激發出的電磁波特性進行關聯（如電磁波的頻率和極化形式），實現電子自旋態在電磁波上的調製。由於在解調量子信息時要測量微觀粒子的狀態，這會引起量子狀態的變化，從而模糊原有的調製信息，因此在調製量子信息時必須考慮如何消除量子態的變化引起的調製信息丟失，這也是量子信息調製要解決的關鍵問題之一。

(二)量子信息解調

 量子信息解調包括量子信息解調和量子信息解碼，其中量子信息解調就是從發射的光子（電磁波）中辨識出電子的自旋態。目前主要是通過光學方法或電學方法來探測自旋極化，其中光學方法包括光致/電致發光、Hanle效應、時間分辨的Faraday旋轉和Kerr效應，電學方法是利用鐵磁材料和半導體介面的自旋以來的輸運性質，比如測量通過不同磁化方向的鐵磁電極的電阻差來給出自旋極化度。量子信息解碼主要是糾正微觀粒子狀態變化引起的編碼錯誤。所以，電子自旋態辨識和編碼糾錯是量子信息解調要解決的關鍵問題。

(三)量子信息處理

量子雷達通過調製、傳輸、解調所傳遞的目標信息，最終要通過量子信息處理器提取出來。由於信息載體和傳遞的信息量均不同於傳統雷達，因此在處理內容、處理方法和處理速度上也不同於傳統信號處理器，主要取決於量子計算和量子計算機技術的發展。當前的量子信息處理是通過構造量子算法和量子神經網絡來獲得一定的應用，遠不能滿足量子雷達的要求。因此，構建新的量子信息處理方法和體系結構是實現量子雷達的一個關鍵問題。無論量子雷達的系統結構如何變化，其工作過程都包括量子信息的調製、解調和傳輸過程，與這些過程有關的量子態特殊性都需要研究，如量子的糾纏特性、相干性、量子微弱能量的接收與處理等。

 五、中國已找到破解F35戰機辦法

 　　據美國媒體報導，中國幾乎攻克量子雷達的技術難關，量子雷達能讓傳統隱形飛機無所遁形。中國已研發出一種可監測到100公里以外隱形飛機的新型雷達。不僅如此這種雷達還能不被現代技術矇騙。雖然量子雷達的研發受到許多科學家的質疑，但美國麻省理工學院量子物理學家德克·英格倫對商業內幕網站記者說，量子雷達的研發是“可信的”。軍事專家巡航者介紹，美海軍陸戰隊已將一個F-35B隱身戰機中隊部署至位於日本山口縣的岩國基地，首批10架已於10日飛抵日本，另有6架將於年內部署完成，這是美軍F-35隱身戰機的首次海外部署。 F-35B（海軍陸戰隊型）是F-35系列三型號中噸位最小的，外形尺寸與F-35A相當，全機長15.4米，翼展10.7米，機高4.3米，最大起飛重量27噸，F-35B實現垂直起降主要依靠“升力風扇+尾部發動機噴管90度下偏+調姿噴管”三者配合實現。　　 量子雷達是一種利用量子現象進行目標狀態感知和信息獲取的特殊傳感設備，可利用量子糾纏態進一步提升探測靈敏度，有望解決傳統雷達存在的一系列問題。相比於傳統雷達，量子雷達對複雜環境下小目標具有更好的探測能力，可在高背景噪聲中識別出遠距離微小信號。即使隱形戰機發送虛假信號進行偽裝，量子雷達也可輕易發現欺騙過程和敵方的干擾行動，並對目標飛機行踪做出準確判斷。隨著量子雷達技術的不斷成熟，未來部署到地面和水面作戰艦艇的量子雷達，可對幾乎所有的空中目標進行探測，並可持續跟踪目標的軌跡和行踪。其強大的反隱身技能是隱形戰機的“剋星”。裝備了量子雷達的作戰飛機，相當於擁有了一雙戰場“遠視眼”，可實現對極遠距離目標的提前打擊，作戰潛力驚人。 對於美日在中國周邊部署的F-35，可能仍然要寄希望於現有的反隱身雷達技術。該量子雷達系統由中國電科14所智能感知技術重點實驗室在中國科學技術大學、中國電科27所以及南京大學等協作單位的共同努力下完成的。該雷達完成了量子探測機理、目標散射特性研究以及量子探測原理的實驗驗証，並且在外場完成真實大氣環境下目標探測試驗，獲得百公裡級探測威力，探測靈敏度極大提高，指標均達到預期效果，取得階段性重大研究成果。 目前，對空中隱身目標的探測基本解決了有無問題，例如大功率的有源相控陣雷達、多基址雷達、無源雷達、外輻射源雷達、天波雷達等多種手段的綜合運用，能夠探測隱身的空中目標。但上述雷達探測隱身目標的弱點是精度較低、可靠性較差，而且體積龐大，很難用於火力控制，並容易遭遇攻擊。而未來量子雷達或將彌補這一缺陷。不過專家表示，量子雷達想要實現工程化可能還有比較漫長的路要走，對於F-35、F-22等現實威脅，仍然需要依靠上述傳統雷達中的新體制雷達，不斷對其技術進行優化並進行數據融合、縮小體積、提高精度和可靠性，這可能才是更加現實的反隱身手段。事實上，即使是最先進的隱形戰鬥機，也不可能在雷達面前消失的無影無蹤。相比於傳統雷達，量子雷達對複雜環境下小目標具有更好的探測能力，可在高背景噪聲中識別出遠距離微小信號。即使隱形戰機發送虛假信號進行偽裝，量子雷達也可輕易發現欺騙過程和敵方的干擾行動，並對目標飛機行蹤做出準確判斷。 量子雷達的出現，使戰機無法逃避有效偵察和跟蹤。鑒於量子雷達強大的反隱身和抗干擾能力，目前美國海軍和陸軍都進行了大量的量子雷達研究工作。據估算，僅裝備了單光子量子雷達制導的超遠程空空飛彈的作戰飛機，理論上攻擊距離就可以提升至千公里之外，實現超視距作戰向千公里量級的非接觸式戰爭轉變。同時，由於對電磁波的依賴大為減少，量子雷達可有效避開利用探測電磁波開展工作的反輻射飛彈攻擊，將進一步改變現有飛彈的作戰機理和作戰模式，使戰場作戰形態向「量子化」轉變。量子雷達目前遇到的主要技術難題是量子信息的調製與解調。微波粒子量子態的糾纏特性、相干性以及攜帶量子態信息載體的能量微弱性，都進一步增加了量子信息傳輸和處理的難度。實現量子信息高效、穩定的空間無線傳輸，著力提升量子雷達的實際工程化水平，是仍需深入研究的問題。

六、結語

     未來，利用量子成像傳感器進行戰場觀測，可有效消除現有技術對成像產生的干擾，並濾過大氣氣流等干擾因素，可形成普通雷達觀測設備無法直接獲得的戰場圖像。基於量子雷達技術的地面固定雷達、機動和艦載雷達以及機載、彈載雷達將「全面開花」，在戰略預警、區域防空、空中偵察以及精確打擊中得到廣泛應用，成為未來戰爭的「顛覆者」。量子信息技術是當前科學攻關的主要領域之一，美國、日本、歐洲等國家很早就意識到它的軍事和民用價值，不斷加大投入，促進理論研究成果向實用技術轉化。近幾年來，有關量子計算、量子通信、量子雷達等方面的研究論文突然增多，昭示著該領域研究熱潮的到來。未來量子信息技術的主要應用領域將瞄準安全信息傳輸、高速信息處理、武器控制、網絡攻擊、目標探測以及更深入的思維模擬與攻擊等方面。