学术：量子成像和量子雷达在遥感探测中的发展评述

本文作者为中国电子科技集团第三十八研究所专家葛家龙。本篇节选自论文《量子成像和量子雷达在遥感探测中的发展评述》，发表于《中国电子科学研究院学报》第9卷第1期。

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。

1、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。

2、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