本文作者為中國電子科技集團第三十八研究所專家葛家龍。本篇節選自論文《量子成像和量子雷達在遙感探測中的發展評述》，發表于《中國電子科學研究院學報》第9卷第1期。

量子成像又稱為雙光子關聯成像、強度關聯成像、鬼成像等，是利用量子糾纏現象發展起來的一種新型成像技術。由于微觀客體的關聯具有非局域的性質，可以延伸到很遠的距離，在這種糾纏狀態下即使分布于空間兩個分離點的粒子也表現出相同的性質，如電荷、頻率、極化等。

在軍事和科學應用需求的牽引下，國內外在可見光、紅外波段主被動強度關聯遙感成像、微波關聯成像雷達的研究方面競爭激烈，同時嘗試將其應用于對地觀測領域，以突破常規光學遙感和微波遙感的性能局限。

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，利用它不同于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，且量子旁瓣為射頻隱身目標的探測提供了一種新方法。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。

1、量子成像的原理和優勢

量子成像是基于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量子激光器）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概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范圍光譜分布。

現有的研究結果表明，光量子的糾纏特性并不是實現量子成像的必要條件，熱光源同樣可以實現量子成像。但是，由于光場關聯形式的差異，熱光量子成像的可見度較低且熱光量子成像遵循的高斯成像公式與糾纏量子成像公式不同。當物體和成像透鏡都在同一個光路中時，糾纏量子成像與兩個光路的縱向距離之和有關，而熱光量子成像和兩個系統的縱向距離之差有關。對于相同的物距，兩種量子成像的放大率是相同的，但是成像的位置不同。

量子成像比常規的激光全息成像更方便。但是，量子成像需要的成像時間較長,一般要幾秒鐘時間,不適于快速成像的場合，而且就目前的技術而言,產生大量的糾纏光子對還有困難,不過隨著量子信息技術的發展,這些問題都有望解決，因此量子成像將成為成像領域中的一個重要分支。要在紅外波段獲得高分辨率圖像很難，使用量子成像卻能很容易獲得成像效果良好的圖像，所以量子成像技術將以其高清晰的圖像在航空探測、軍事偵察、遠紅外成像等領域發揮重要作用。

2、量子雷達的原理和優勢

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，但由于它們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。凡是采用微波光子進行遠程目標探測，利用光子的某些特性來提高其探測、識別和分辨目標能力的電子系統就稱之為量子雷達。

量子雷達的探測信號是原子中的電子從一個能級躍遷到另一個能級時輻射的電磁波，它具有特定的狀態，一般是指電子的自旋。多個已知自旋狀態（相當于信號編碼）的電子輻射電磁波，該電磁波經目標反射后被接收機接收。接收機通過分析電子吸收反射波后自旋狀態的改變規律，可以獲取目標信息。所以，電磁波與電子自旋狀態之間的關系及其持續時間很重要，它決定了量子雷達的探測能力和探測距離。

一個典型量子雷達的工作原理圖，如圖所示。

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制在單個光子狀態上，接收機識別單個光子的能量模式，而常規雷達的信息是調制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。而量子雷達采用糾纏光子時，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。這來源于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于微波頻段（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云層和霧氣，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，使導彈制導、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。

3、量子成像的研究現狀

1994年，巴西的Ribeiro等人通過參量下轉換的動量糾纏光源，以符合計數的方式觀測到第一例雙光子干涉條紋，1995年美國馬里蘭大學史硯華小組也通過參量下轉換獲得的動量糾纏光源，觀察到鬼干涉和衍射，這些工作揭開了量子成像研究的序幕。

2002 年，Rochester大學的Bennink等人巧妙利用一個隨機旋轉的反射鏡反射激光，得到了和量子符合成像類似的結果，雖然沒有解釋經典光源實現鬼成像的原因，但這項工作卻引起了人們的極大關注。

2004年Bennink等人又通過經典相關光重現了物體的衍射圖，但在實驗中對實驗裝置做了改變，如成像物體的位置、棱鏡設備等，以確定量子糾纏是否是實現鬼成像和鬼干涉實驗的必要條件。

上海光機所的程靜、韓申生從理論上分析了利用高斯隨機分布光源做關聯成像，并提出X-Ray光源的實現方案。2004年底，類熱光作為光源實現了關聯成像的實驗。吳令安等人完成了真正熱光的符合成像實驗。關于經典熱光源和量子糾纏光源成像的討論還在繼續。最終會形成統一結論。由于熱光場量子成像在現有技術條件下更容易轉化為實際技術，因此更引人關注。

量子成像受到國際學術界的廣泛重視，據不完全統計，目前世界上已有10 多個著名實驗室在開展量子成像理論與技術的研究，歐盟從2001 年起就專門設立了包括12個子課題在內的歐盟量子成像研究計劃(QUANTIM項目) ，并于近期又啟動了后續研究計劃。目的是研究量子糾纏光束的空間性質對光學成像和信息并行處理的影響，并探索利用量子成像技術突破當前成像品質極限的方法，以達到最終的量子極限。美國國家自然科學基金會、美國海軍研究局、國家航空和宇宙航行局以及美國國防部的國防先進技術研究計劃署等機構均給予量子成像研究大量的資助。2005年，美國國防部組織美國多所國際一流大學，啟動了針對國防應用需求、包含量子成像系統及量子成像技術兩個層次共8個子課題的量子成像大學聯合研究計劃（MURI 計劃），美國波士頓大學還成立了專門的量子成像實驗室。

在上述歐美各國的量子成像研究計劃中，強度關聯成像都是其中的重要研究方向。2005 年美國馬里蘭大學的史硯華小組提出了將強度關聯成像技術應用于空間對地觀測的設想，并獲得了美國軍方的大力支持。2009 年11 月美國國防部新聞網站又報道了美國陸軍裝備研究實驗室（ARL）開展強度關聯遙感成像研究的最新進展。此外，從美國麻省理工學院量子成像課題組的報告及其它相關課題組研究論文中披露的信息來看，除被動式強度關聯遙感成像研究外，美國有可能也已經開展了（或即將開展）主動式光學強度關聯遙感成像雷達及新概念微波強度關聯凝視成像雷達的研究工作。

將量子成像應用于遙感探測領域，可以同時對目標進行探測和識別，并具有成像速度快，抗偵察、抗干擾、抗反輻射導彈能力強的優勢，還可以對動、靜目標成像，因此具有很好應用前景。

4、量子雷達的研究現狀

量子雷達的概念是量子信息理論在遙感探測領域的具體應用，通過對量子不同物理特性的觀測和測量，可以構成不同原理和形式的量子雷達。根據系統采用的量子效應的不同，可以把量子雷達分成三種基本類型，即發射非糾纏態光子的量子雷達、發射量子態光并與接收機中的光量子糾纏的量子雷達、發射經典態光但使用量子光探測提升性能的量子雷達。

在量子雷達領域出現的單光子量子雷達采用了非糾纏態光子，工作過程與傳統雷達類似，由量子雷達發射機向目標發射單個光子，經過目標反射后被雷達接收機接收并進行測量。這種量子雷達的優點是，當發生的脈沖中包含的光子數目較少時，目標的雷達散射界面被放大，有利于探測小尺寸目標，而且信號幾乎不受干擾，效率極高。基于光的糾纏態的量子雷達可以發揮量子雷達的最大優勢，發射機向目標輻射糾纏光子對中的一個光子，另一個光子留在雷達系統中，輻射出去的光子經目標反射后被雷達接收機接收，測量光子糾纏態所包含的相關性，可以提高系統的探測性能。

1）干涉量子雷達

干涉量子雷達類似于一個干涉儀，目的是測量兩個輸出波束的光子數來計算相位延遲。目前研究的測量方法有量子干涉測量法、衰減量子干涉測量法、可分離態測量法、大氣量子干涉測量法等。理論研究表明，使用高糾纏態的干涉相位測量可以達到海森伯極限；只有在無衰減的情況下衰減量子干涉測量法才能獲得海森伯極限；而對于可分離態法即使沒有衰減也無法突破標準量子極限。研究人員仔細研究了大氣衰減對量子干涉測量相位誤差的影響，結果表明采用NOON狀態的基本量子干涉測量法進行遠程相位估計可能受到大氣衰減的嚴格限制，單獨的NOON態不足以建立實用的干涉測量的量子雷達。

由于大氣衰減的影響，NOON狀態的使用不足以保證量子雷達的超級靈敏度，因此美國海軍研究室（NRL）的J.F.Smith開發了一種自適應光學校正方法，在大氣的電磁性能發生顯著變化時可使超級靈敏度的范圍達到5000km。

2）量子照明

量子照明是MTI的S.SLloyd發明的一個革命性的遠程光子量子傳感技術，它提高了光在嘈雜和耗散環境中的光電探測靈敏度。理論上，量子照明不局限于任何特定的頻率，可以被量子雷達使用。研究結果表明，糾纏可以提高檢測系統的靈敏度，而且在嘈雜和耗散的環境中表現更明顯。

3）量子雷達散射界面

在量子信息技術提高常規雷達探測性能的激勵下，一些研究者提出了實現量子雷達的方案，并申請了專利。如Lockheed Martin在其專利中提出了一個基于量子糾纏原理的掃描儀概念；專利號為EP1750145的一項歐洲專利描述的量子雷達是“使用糾纏量子的雷達系統和方法”。為驗證這些方案和雷達性能的提高，研究人員們作了一系列有益的實驗探索。

2012年，美國羅徹斯特大學光學研究所的Mehul Malik等人建立了一個成像系統，利用光子的位置或飛行時間信息對目標進行成像，利用光子的極化檢測來發現欺騙干擾。其基本原理是，干擾者在實施欺騙干擾時，必然會擾亂成像光子微妙的量子態，從而在極化特性檢測時引入誤差，根據誤差可以判斷是非受到干擾。

這個安全成像系統的結構如圖所示。HeNe激光器發出一個極化單光子脈沖，經目標反射后，通過干擾濾波器（IF）進入電子增強CCD相機（EMCCD），其中的半波平板（HWP）和極化波束分解器（PBS）用于適當的極化基測量，EMCCD作為單光子檢測器可以得到四個極化測量的圖像。

圖：基于光子極化檢測的安全成像系統結構圖

聯合這四個極化圖像可以得到目標的圖像，如圖所示。圖（a）為一個隱身飛機的真實圖像，其中不同顏色的像素點對應于不同的極化；圖（b）為受到欺騙干擾后的成像結果。通過檢測光子的極化誤差率，成像系統很容易檢測到人為干擾的存在與否，如圖（a）的平均誤差率為0.84%，遠小于25%的安全限，因此成像結果是安全的，而圖（b）的平均誤差率高達50.44%，表明受到了人為干擾，圖像不可信。

圖：基于光子極化檢測的安全成像系統的結果

量子的遠距離傳輸一直是影響量子通信和量子雷達發展的關鍵技術之一，近年來研究人員通過各種試驗裝置增加量子的傳輸距離，已由最初的16Km擴展到97Km。研究人員用紫外光激發水晶，制造出糾纏光子，使其穿越了青海湖，達到了前所未有的傳輸距離，進一步研究光子的遠距離傳輸，達到通信和雷達工作所需要的傳輸距離仍是今后的研究課題。

美國等軍事大國和一些著名的研究結構非常重視量子雷達的研究，如美國國防高級研究局（DARPA）提出了“量子傳感器計劃（QSP）”；美國海軍研究辦公室（ONR）近期專門組織了一場研討會，討論量子雷達的科學性；美國海軍實驗室（NRL）的研究發現，即使考慮大氣衰減，工作于9GHz的量子雷達理論上也可以提高目標探測能力；荷蘭萊頓大學的一個研究小組提出了一種機械裝置方案，可利用量子點產生糾纏態的微波光子；西班牙Pais Vasco大學已經開發出多個工作在微波的單光子探測器的理論模型。

5、量子成像的關鍵技術

作為一類正在探索的全新概念的成像技術，量子成像雖然在突破奈奎斯特采樣定理限定的圖像獲取效率和成像孔徑衍射極限的超分辨能力方面的得到了實驗驗證，并逐漸進入應用實驗階段，但仍有大量的基礎性問題需要研究，這些問題包括：

1）基于圖像稀疏特性的量子成像的超分辨理論極限。主、被動量子成像原理方案的超分辨能力已經獲得實驗驗證，并對其機理做了定性解釋，但還缺乏一個經過實驗考核的定量理論。

2）主動量子成像中的線性無關光源數、目標圖像稀疏度和成像分辨率之間的關系。在量子成像的應用模式中，稀疏陣列發射和接收將會大大降低系統復雜度，提高目標圖像的獲取速度，其原理演示已經完成，但是還缺乏一個可以將其與MIMO雷達和稀疏陣列天線理論統一起來的完整的理論體系。

3）量子成像中時域-空域探測模式的自由轉換和實現方法。傳統的強度關聯成像的一個缺點是只能通過時域的多次測量來獲取目標圖像，在遙感應用中更適合于凝視成像。該技術在更多遙感場合中的應用很大程度上依賴于其時域-空域探測模式的自由轉換程度，即可以單點探測/多次采樣成像，也可以多點探測/一次采樣成像。

4）強干擾環境下量子成像的高效數據圖像復原算法、欠采樣和臨界采樣時的圖像復原以及探測模式的最優化問題。

5）可直接進行目標識別的量子成像方案。因為利用目標稀疏先驗的量子成像可以直接探測壓縮后的目標圖像，因此可以將其與目標特征識別結合起來，在目標探測階段直接進行目標特征識別。

6）量子成像探測靈敏度的量子極限。在壓縮感知中可以直接探測壓縮后的圖像數據，因此（特別對遙感應用而言）其探測靈敏度的量子極限就是一個需要重新研究的新課題。

6、量子雷達的關鍵技術

1）量子信息調制

量子信息調制包括量子信道編碼、量子信息調制和量子信號發射。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信息論中普遍存在的消相干引起的量子錯誤。量子信息調制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制。由于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，從而模糊原有的調制信息，因此在調制量子信息時必須考慮如何消除量子態的變化引起的調制信息丟失，這也是量子信息調制要解決的關鍵問題之一。

2）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界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。

3）量子信息處理

量子雷達通過調制、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。由于信息載體和傳遞的信息量均不同于傳統雷達，因此在處理內容、處理方法和處理速度上也不同于傳統信號處理器，主要取決于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制、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。

7、結語

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。