量子成像与量子雷达技术

本文由信息与电子前沿(ID:caeit-e)授权转载，发表于《中国电子科学研究院学报》第9卷第1期，作者：葛家龙 中国电子科技集团第三十八研究所专家

量子成像又称为双光子关联成像、强度关联成像、鬼成像等，是利用量子纠缠现象发展起来的一种新型成像技术。由于微观客体的关联具有非局域的性质，可以延伸到很远的距离，在这种纠缠状态下即使分布于空间两个分离点的粒子也表现出相同的性质，如电荷、频率、极化等。

在军事和科学应用需求的牵引下，国内外在可见光、红外波段主被动强度关联遥感成像、微波关联成像雷达的研究方面竞争激烈，同时尝试将其应用于对地观测领域，以突破常规光学遥感和微波遥感的性能局限。

量子雷达是量子度量学的另一个重要研究方向，其本质是将光量子作为光频电磁波微观粒子对目标进行探测，利用它不同于常规雷达电磁波的物理特性，提升对目标的探测性能，同时提高雷达的抗干扰和抗欺骗能力。量子现象能够大幅度提高传感器灵敏度，促使量子传感器得到优先研发，如磁力计、光电探测器和密度计等。量子雷达比传统雷达的目标能见度更高，且量子旁瓣为射频隐身目标的探测提供了一种新方法。量子雷达具有优越的电子对抗性能，非常适合军事应用，因此受到各国军方的高度重视。

一、量子成像的原理和优势

量子成像是基于双光子符合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术，其物质基础是纠缠的光子对。产生纠缠光子的方法很多，其中自发参量下转换（SPDC）方法是最常用的一种。自发参量下转换双光子场是一种非经典场，它由单色泵浦光子流（Ar量子激光器）和量子真空噪声对非中心对称的非线性晶体的综合作用，使得每个入射光子以一定概率自发地分裂为能量较低的两个光子，由这些在时间和空间上高度相关的光子对所构成的场就是自发参量下转换双光子场。它具有从泵浦波频率一直到晶格共振频率的宽范围光谱分布。

现有的研究结果表明，光量子的纠缠特性并不是实现量子成像的必要条件，热光源同样可以实现量子成像。但是，由于光场关联形式的差异，热光量子成像的可见度较低且热光量子成像遵循的高斯成像公式与纠缠量子成像公式不同。当物体和成像透镜都在同一个光路中时，纠缠量子成像与两个光路的纵向距离之和有关，而热光量子成像和两个系统的纵向距离之差有关。对于相同的物距，两种量子成像的放大率是相同的，但是成像的位置不同。

量子成像比常规的激光全息成像更方便。但是，量子成像需要的成像时间较长,一般要几秒钟时间,不适于快速成像的场合，而且就目前的技术而言,产生大量的纠缠光子对还有困难,不过随着量子信息技术的发展,这些问题都有望解决，因此量子成像将成为成像领域中的一个重要分支。要在红外波段获得高分辨率图像很难，使用量子成像却能很容易获得成像效果良好的图像，所以量子成像技术将以其高清晰的图像在航空探测、军事侦察、远红外成像等领域发挥重要作用。

二、量子雷达的原理和优势

传统雷达利用电磁波的波动性，通过测量目标回波的幅度、频率、相位、极化等参数来获取目标信息，但由于它们不能详细反映目标信息的空间序列特性，因此探测能力有限。根据电磁波的波粒二象性，如果对其粒子性进行测量，可以获得信号的动量和位移，其中包含了目标信息的空间序列特性。以此作为目标探测的信息载体，将会获得目标状态的大量精准信息，这就是量子雷达的工作机理。凡是采用微波光子进行远程目标探测，利用光子的某些特性来提高其探测、识别和分辨目标能力的电子系统就称之为量子雷达。

量子雷达的探测信号是原子中的电子从一个能级跃迁到另一个能级时辐射的电磁波，它具有特定的状态，一般是指电子的自旋。多个已知自旋状态（相当于信号编码）的电子辐射电磁波，该电磁波经目标反射后被接收机接收。接收机通过分析电子吸收反射波后自旋状态的改变规律，可以获取目标信息。所以，电磁波与电子自旋状态之间的关系及其持续时间很重要，它决定了量子雷达的探测能力和探测距离。

一个典型量子雷达的工作原理图，如图所示。

量子雷达具有常规雷达无法比拟的灵敏性，这是因为信息以量子信息的形式调制在单个光子状态上，接收机识别单个光子的能量模式，而常规雷达的信息是调制在大量光子组成的电磁波上，接收机识别大量光子组成的能量模式，因此量子接收机对信息的感知更灵敏。当量子光特性转换成真空波动时，会影响到电磁场幅度的测量，所以现代大多数传感器的灵敏度都受到标准量子极限的限制。而量子雷达采用纠缠光子时，可以克服标准量子极限限定的相位测量极限，达到海森堡极限，这就是其重要的超灵敏性。

量子雷达的另一个显著优势是其固有的抗干扰性。这来源于光量子的一个奇异特性，即在测量光子的同时往往会改变其量子特性，通过对量子特性的检测可以发现是否受到干扰，这对雷达对抗日益严重的欺骗式干扰非常有效。

量子雷达未来的工作频段最可能处于微波频段（如X波段），从而继承了微波的许多优点，如微波光子能够穿透云层和雾气，具有全天时、全天候的工作能力，比光学传感器具有更好的穿透性，使导弹制导、海事监测、气象、地面警戒和机场交通导航等成为其潜在的应用领域。

三、量子成像的研究现状

1994年，巴西的Ribeiro等人通过参量下转换的动量纠缠光源，以符合计数的方式观测到第一例双光子干涉条纹，1995年美国马里兰大学史砚华小组也通过参量下转换获得的动量纠缠光源，观察到鬼干涉和衍射，这些工作揭开了量子成像研究的序幕。

2002 年，Rochester大学的Bennink等人巧妙利用一个随机旋转的反射镜反射激光，得到了和量子符合成像类似的结果，虽然没有解释经典光源实现鬼成像的原因，但这项工作却引起了人们的极大关注。

2004年Bennink等人又通过经典相关光重现了物体的衍射图，但在实验中对实验装置做了改变，如成像物体的位置、棱镜设备等，以确定量子纠缠是否是实现鬼成像和鬼干涉实验的必要条件。

上海光机所的程静、韩申生从理论上分析了利用高斯随机分布光源做关联成像，并提出X-Ray光源的实现方案。2004年底，类热光作为光源实现了关联成像的实验。吴令安等人完成了真正热光的符合成像实验。关于经典热光源和量子纠缠光源成像的讨论还在继续。最终会形成统一结论。由于热光场量子成像在现有技术条件下更容易转化为实际技术，因此更引人关注。

量子成像受到国际学术界的广泛重视，据不完全统计，目前世界上已有10 多个著名实验室在开展量子成像理论与技术的研究，欧盟从2001 年起就专门设立了包括12个子课题在内的欧盟量子成像研究计划(QUANTIM项目) ，并于近期又启动了后续研究计划。目的是研究量子纠缠光束的空间性质对光学成像和信息并行处理的影响，并探索利用量子成像技术突破当前成像品质极限的方法，以达到最终的量子极限。美国国家自然科学基金会、美国海军研究局、国家航空和宇宙航行局以及美国国防部的国防先进技术研究计划署等机构均给予量子成像研究大量的资助。2005年，美国国防部组织美国多所国际一流大学，启动了针对国防应用需求、包含量子成像系统及量子成像技术两个层次共8个子课题的量子成像大学联合研究计划（MURI 计划），美国波士顿大学还成立了专门的量子成像实验室。

在上述欧美各国的量子成像研究计划中，强度关联成像都是其中的重要研究方向。2005 年美国马里兰大学的史砚华小组提出了将强度关联成像技术应用于空间对地观测的设想，并获得了美国军方的大力支持。2009 年11 月美国国防部新闻网站又报道了美国陆军装备研究实验室（ARL）开展强度关联遥感成像研究的最新进展。此外，从美国麻省理工学院量子成像课题组的报告及其它相关课题组研究论文中披露的信息来看，除被动式强度关联遥感成像研究外，美国有可能也已经开展了（或即将开展）主动式光学强度关联遥感成像雷达及新概念微波强度关联凝视成像雷达的研究工作。

将量子成像应用于遥感探测领域，可以同时对目标进行探测和识别，并具有成像速度快，抗侦察、抗干扰、抗反辐射导弹能力强的优势，还可以对动、静目标成像，因此具有很好应用前景。

四、量子雷达的研究现状

量子雷达的概念是量子信息理论在遥感探测领域的具体应用，通过对量子不同物理特性的观测和测量，可以构成不同原理和形式的量子雷达。根据系统采用的量子效应的不同，可以把量子雷达分成三种基本类型，即发射非纠缠态光子的量子雷达、发射量子态光并与接收机中的光量子纠缠的量子雷达、发射经典态光但使用量子光探测提升性能的量子雷达。

在量子雷达领域出现的单光子量子雷达采用了非纠缠态光子，工作过程与传统雷达类似，由量子雷达发射机向目标发射单个光子，经过目标反射后被雷达接收机接收并进行测量。这种量子雷达的优点是，当发生的脉冲中包含的光子数目较少时，目标的雷达散射界面被放大，有利于探测小尺寸目标，而且信号几乎不受干扰，效率极高。基于光的纠缠态的量子雷达可以发挥量子雷达的最大优势，发射机向目标辐射纠缠光子对中的一个光子，另一个光子留在雷达系统中，辐射出去的光子经目标反射后被雷达接收机接收，测量光子纠缠态所包含的相关性，可以提高系统的探测性能。

1）干涉量子雷达

干涉量子雷达类似于一个干涉仪，目的是测量两个输出波束的光子数来计算相位延迟。目前研究的测量方法有量子干涉测量法、衰减量子干涉测量法、可分离态测量法、大气量子干涉测量法等。理论研究表明，使用高纠缠态的干涉相位测量可以达到海森伯极限；只有在无衰减的情况下衰减量子干涉测量法才能获得海森伯极限；而对于可分离态法即使没有衰减也无法突破标准量子极限。研究人员仔细研究了大气衰减对量子干涉测量相位误差的影响，结果表明采用NOON状态的基本量子干涉测量法进行远程相位估计可能受到大气衰减的严格限制，单独的NOON态不足以建立实用的干涉测量的量子雷达。

由于大气衰减的影响，NOON状态的使用不足以保证量子雷达的超级灵敏度，因此美国海军研究室（NRL）的J.F.Smith开发了一种自适应光学校正方法，在大气的电磁性能发生显著变化时可使超级灵敏度的范围达到5000km。

2）量子照明

量子照明是MTI的S.SLloyd发明的一个革命性的远程光子量子传感技术，它提高了光在嘈杂和耗散环境中的光电探测灵敏度。理论上，量子照明不局限于任何特定的频率，可以被量子雷达使用。研究结果表明，纠缠可以提高检测系统的灵敏度，而且在嘈杂和耗散的环境中表现更明显。

3）量子雷达散射界面

在量子信息技术提高常规雷达探测性能的激励下，一些研究者提出了实现量子雷达的方案，并申请了专利。如Lockheed Martin在其专利中提出了一个基于量子纠缠原理的扫描仪概念；专利号为EP1750145的一项欧洲专利描述的量子雷达是“使用纠缠量子的雷达系统和方法”。为验证这些方案和雷达性能的提高，研究人员们作了一系列有益的实验探索。

2012年，美国罗彻斯特大学光学研究所的Mehul Malik等人建立了一个成像系统，利用光子的位置或飞行时间信息对目标进行成像，利用光子的极化检测来发现欺骗干扰。其基本原理是，干扰者在实施欺骗干扰时，必然会扰乱成像光子微妙的量子态，从而在极化特性检测时引入误差，根据误差可以判断是非受到干扰。

这个安全成像系统的结构如图所示。HeNe激光器发出一个极化单光子脉冲，经目标反射后，通过干扰滤波器（IF）进入电子增强CCD相机（EMCCD），其中的半波平板（HWP）和极化波束分解器（PBS）用于适当的极化基测量，EMCCD作为单光子检测器可以得到四个极化测量的图像。

图：基于光子极化检测的安全成像系统结构图

联合这四个极化图像可以得到目标的图像，如图所示。图（a）为一个隐身飞机的真实图像，其中不同颜色的像素点对应于不同的极化；图（b）为受到欺骗干扰后的成像结果。通过检测光子的极化误差率，成像系统很容易检测到人为干扰的存在与否，如图（a）的平均误差率为0.84%，远小于25%的安全限，因此成像结果是安全的，而图（b）的平均误差率高达50.44%，表明受到了人为干扰，图像不可信。

图：基于光子极化检测的安全成像系统的结果

量子的远距离传输一直是影响量子通信和量子雷达发展的关键技术之一，近年来研究人员通过各种试验装置增加量子的传输距离，已由最初的16Km扩展到97Km。研究人员用紫外光激发水晶，制造出纠缠光子，使其穿越了青海湖，达到了前所未有的传输距离，进一步研究光子的远距离传输，达到通信和雷达工作所需要的传输距离仍是今后的研究课题。

美国等军事大国和一些著名的研究结构非常重视量子雷达的研究，如美国国防高级研究局（DARPA）提出了“量子传感器计划（QSP）”；美国海军研究办公室（ONR）近期专门组织了一场研讨会，讨论量子雷达的科学性；美国海军实验室（NRL）的研究发现，即使考虑大气衰减，工作于9GHz的量子雷达理论上也可以提高目标探测能力；荷兰莱顿大学的一个研究小组提出了一种机械装置方案，可利用量子点产生纠缠态的微波光子；西班牙Pais Vasco大学已经开发出多个工作在微波的单光子探测器的理论模型。

五、量子成像的关键技术

作为一类正在探索的全新概念的成像技术，量子成像虽然在突破奈奎斯特采样定理限定的图像获取效率和成像孔径衍射极限的超分辨能力方面的得到了实验验证，并逐渐进入应用实验阶段，但仍有大量的基础性问题需要研究，这些问题包括：

1）基于图像稀疏特性的量子成像的超分辨理论极限。主、被动量子成像原理方案的超分辨能力已经获得实验验证，并对其机理做了定性解释，但还缺乏一个经过实验考核的定量理论。

2）主动量子成像中的线性无关光源数、目标图像稀疏度和成像分辨率之间的关系。在量子成像的应用模式中，稀疏阵列发射和接收将会大大降低系统复杂度，提高目标图像的获取速度，其原理演示已经完成，但是还缺乏一个可以将其与MIMO雷达和稀疏阵列天线理论统一起来的完整的理论体系。

3）量子成像中时域-空域探测模式的自由转换和实现方法。传统的强度关联成像的一个缺点是只能通过时域的多次测量来获取目标图像，在遥感应用中更适合于凝视成像。该技术在更多遥感场合中的应用很大程度上依赖于其时域-空域探测模式的自由转换程度，即可以单点探测/多次采样成像，也可以多点探测/一次采样成像。

4）强干扰环境下量子成像的高效数据图像复原算法、欠采样和临界采样时的图像复原以及探测模式的最优化问题。

5）可直接进行目标识别的量子成像方案。因为利用目标稀疏先验的量子成像可以直接探测压缩后的目标图像，因此可以将其与目标特征识别结合起来，在目标探测阶段直接进行目标特征识别。

6）量子成像探测灵敏度的量子极限。在压缩感知中可以直接探测压缩后的图像数据，因此（特别对遥感应用而言）其探测灵敏度的量子极限就是一个需要重新研究的新课题。

六、量子雷达的关键技术

1）量子信息调制

量子信息调制包括量子信道编码、量子信息调制和量子信号发射。其中，量子信息编码又包括电子自旋态辨识和量子信息编码，电子自旋态辨识就是要通过一定的方法产生100%单一极化的自旋状态，目前的方法还不能满足这一要求；量子信息编码的目的是通过量子编码纠正或防止量子信息论中普遍存在的消相干引起的量子错误。量子信息调制就是将电子的自旋与激发出的电磁波特性进行关联（如电磁波的频率和极化形式），实现电子自旋态在电磁波上的调制。由于在解调量子信息时要测量微观粒子的状态，这会引起量子状态的变化，从而模糊原有的调制信息，因此在调制量子信息时必须考虑如何消除量子态的变化引起的调制信息丢失，这也是量子信息调制要解决的关键问题之一。

2）量子信息解调

量子信息解调包括量子信息解调和量子信息解码，其中量子信息解调就是从发射的光子（电磁波）中辨识出电子的自旋态。目前主要是通过光学方法或电学方法来探测自旋极化，其中光学方法包括光致/电致发光、Hanle效应、时间分辨的Faraday旋转和Kerr效应，电学方法是利用铁磁材料和半导体界面的自旋以来的输运性质，比如测量通过不同磁化方向的铁磁电极的电阻差来给出自旋极化度。量子信息解码主要是纠正微观粒子状态变化引起的编码错误。所以，电子自旋态辨识和编码纠错是量子信息解调要解决的关键问题。

3）量子信息处理

量子雷达通过调制、传输、解调所传递的目标信息，最终要通过量子信息处理器提取出来。由于信息载体和传递的信息量均不同于传统雷达，因此在处理内容、处理方法和处理速度上也不同于传统信号处理器，主要取决于量子计算和量子计算机技术的发展。当前的量子信息处理是通过构造量子算法和量子神经网络来获得一定的应用，远不能满足量子雷达的要求。因此，构建新的量子信息处理方法和体系结构是实现量子雷达的一个关键问题。

无论量子雷达的系统结构如何变化，其工作过程都包括量子信息的调制、解调和传输过程，与这些过程有关的量子态特殊性都需要研究，如量子的纠缠特性、相干性、量子微弱能量的接收与处理等。

结 语

量子信息技术是当前科学攻关的主要领域之一，美国、日本、欧洲等国家很早就意识到它的军事和民用价值，不断加大投入，促进理论研究成果向实用技术转化。近几年来，有关量子计算、量子通信、量子雷达等方面的研究论文突然增多，昭示着该领域研究热潮的到来。未来量子信息技术的主要应用领域将瞄准安全信息传输、高速信息处理、武器控制、网络攻击、目标探测以及更深入的思维模拟与攻击等方面。