学术：量子成像和量子雷达在遥感探测中的发展评述

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。

5、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