量子雷达为何是隐形战机的克星

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单光子量子雷达的基本概念:向目标发射单个光子,光子反射回接收机。

近期,国内量子技术发展取得重大成就,墨子号量子卫星成功发射,中国电子科技集团第14研究所量子雷达取得突破性进展,达到国际先进水平,那么量子雷达到底是什么呢? 量子雷达是什么? 量子雷达技术是近年来在量子技术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探测。众所周知,传统雷达系统采用电磁波实现对目标的探测,雷达信号是由大量的光量子构成,利用的是光的波动特性;而新兴量子雷达扩展了雷达的概念,只采用相对较少的光量子对目标进行探测,利用的是光量子的粒子特性。因此量子雷达理论需要采用量子动力学来阐述。 相对于传统的雷达,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。 量子雷达技术可用于探测和识别传统的射频隐身平台和武器系统,为准确探测隐身目标提供了一种新的技术途径。因此有人称,面对新型信息化战争,量子雷达可能成为一项革命性技术,正如上世纪末射频隐身技术的出现一样,量子雷达将会发展成为射频隐身技术的“克星”。量子雷达同样还可用于行星防御和空间探测。 一般的量子雷达可分为三种,即单光子量子雷达、干涉式量子雷达以及纠缠态量子雷达。 如何探测隐身战机 量子雷达系统主要包括量子发射机、量子接收机及信号处理分系统等部分,关键技术包括量子探测机理研究、量子态传播机理研究、目标散射特性研究以及量子信号处理等。单光子量子雷达发射机向目标发射单个光子,光子经目标反射,被雷达接收机接收探测,这与传统雷达的探测原理相似。纠缠态量子雷达利用了光的纠缠态,首先生成一个纠缠光子对,光子中的其中一个射向目标,另一个留在雷达系统中,发射出去的光子经目标反射,被雷达所接收,利用纠缠态所包含的相关性,可以发挥量子雷达的最大优势,从而提高系统探测性能。 那么,量子雷达如何实现对隐身飞机的探测?首先,隐身飞机通过结构设计和隐身材料的涂覆,其雷达截面积降低到1平方米以下,如F-22隐身飞机在微波频段的雷达截面积低至约0.01平方米,大大降低了传统雷达的探测距离,缩短了己方武器系统的反应时间。而量子接收系统接收的是单个或数个光子,其灵敏度极高,相比传统雷达的接收机,量子雷达接收机灵敏度要高出若干个数量级,反过来,相当于使雷达作用距离大幅提升数倍甚至数十倍,使得量子雷达可以探测到回波信号更小的微弱目标,或雷达反射截面积极小的隐身目标。 何为量子纠缠? 在量子卫星一文中,笔者曾介绍过量子纠缠,它指的是多个量子系统之间存在着强关联,即纠缠的量子系统之间,若有一方发生改变,如被探测、干扰,则与之纠缠的量子系统也会瞬间发生改变,此种改变不是某种波的“空间传播”,而是瞬时发生的、不受空间和传统相对论的约束的,类似于某种“感应”…… 初步研究结果表明,通过量子纠缠这种特性,量子雷达可以增强对目标的探测能力。与不采用纠缠光子的雷达相比,利用纠缠光子的量子雷达的分辨率呈倍数增长。此外,纠缠光子的超强“感应性”也使其具有很高的抗干扰和抗欺骗能力。若其中一个纠缠光子被探测,另外一个光子随机便会感应到;而传统使用的欺骗性干扰则更不可能。纠缠态量子雷达就是利用纠缠光子的这些特性实现对目标的探测,被发射的纠缠态光子遇到任何物体返回后,其量子特性将发生变化,据此可以对目标进行探测。 未来面对的挑战 量子雷达是一门新兴学科,其研究刚刚起步,尚有很多研究内容有待展开。而量子雷达的发展也提出了各种学科的、实验的和理论的研究挑战,包括量子雷达使用的最佳频率是什么?量子雷达最好的结构设计是什么?量子雷达工作性能的最好测量方法是什么?怎么处理大气中噪声的影响?怎么仿真量子雷达散射截面?每个雷达脉冲的最佳连贯光子的数目是多少?等等…… 作为一个新兴的但很有前景的研究领域,量子雷达将对民用和军事领域产生深刻影响,随着研究的继续深入,相信终有一天中国的量子雷达将会成为实实在在的隐身战机的“克星”。总之,量子雷达是一项高风险、高回报的技术,值得深入研究!

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纠缠态光子量子雷达系统:产生一个纠缠的光子对,其中一个光子射向目标,另一个光子保存在雷达系统中。

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