量子雷达能暴露隐形飞机吗?

自第二次世界大战以来，雷达技术已成为战争中越来越重要的工具，用于监测电磁频谱，以探测和跟踪敌机、导弹、卫星和其他系统，而这些系统在逃避探测方面变得越来越复杂。

构建更好、更灵敏、更难以探测的雷达系统仍然是当今国防制造商的一个关键重点，特别是自2018年10月美国海军将电磁频谱指定为与海、陆、空、太空和网络同等的作战领域以来。

去年，中国最大的国防电子公司——国有的中国电子科技集团公司(China electronics Technology Group)宣布，它已经开发出了下一代“量子雷达系统”，据称该系统可以探测到“在太空中高速飞行”的弹道导弹和其他物体。两年前，该组织表示已经测试了100公里(60英里)范围内的量子雷达。

量子雷达的期望是，由于量子纠缠的独特行为，除了其他事情外，它可以通过探测比传统雷达更高精度的物体来“非隐形”飞机。因此，如果中国的声明是真的——而且它没有提供任何证据来支持其声明——这对其国防和量子能力都将是一个巨大的胜利。

中国渴望成为军事超级大国和量子技术的领导者，已经为研发投入了数十亿美元。但它并不是这场比赛中唯一的参赛者。

美国国防科技公司洛克希德·马丁公司的首席科学家内德·艾伦表示，量子雷达的想法最早是在2002年左右他和他的助手以及南加州大学量子信息科学教授的一次会议上提出的。

他们决定向美国国防高级研究计划局(Darpa)的战略技术办公室提出建议，后者委托进行了为期一年的研究项目。自那以后，美国和洛克希德-马丁公司都一直在研究量子雷达的技术开发，但具有讽刺意味的是，Darpa并没有委托洛克希德公司来运行南加州大学团队最初研究的后续量子传感项目。

加拿大还投资270万加元(193万英镑)，通过滑铁卢大学正在进行的一个研究项目来开发量子雷达。英国通过Innovate UK资助Qinetiq公司正在进行的一项研究，研究在雷达和激光雷达系统中使用量子计量学的可行性。

量子雷达技术是基于量子照明和量子纠缠的原理，尽管还有其他正在开发的技术不是完全量子的。例如，洛克希德公司正在进行实验工作，开发一种经典雷达，其中包含使用量子原理的组件。

经典雷达的工作原理是，以无线电或微波频率发出定向辐射束，并通过接收器探测信号路径上任何物体的反射，从而计算出它们的位置和速度。

简单地说，量子雷达使用强相关的纠缠光子源，即使分离，它们也具有相同的不可分割的身份和经验，并作为一个量子系统工作。为了探测远处的物体，光子束被分开，一半发射出去，另一半留在基站与反射进行比较。

从理论上讲，发射纠缠量子或光子而不是经典辐射有几个优点。第一个是在不增加频率的情况下“更好”的图像分辨率。

艾伦解释说:“任何可视化设备的分辨率都与用于识别设备的光子的能量成正比，关于量子雷达最有趣的事情之一是雷达波束在大气中传播时的行为，因为反射回来的图像的特征是所有光子相加的函数。”

这意味着在相同的频率下，它有可能获得比经典雷达更高的目标分辨率，即使它们已经被隐形技术的物理最小化了。

艾伦补充说:“目前有很多工作正在进行，以提高雷达的频率，但量子技术可以让你更容易、更优雅地做到这一点。”

此外，有了纠缠光子，就更容易将背景噪声与实际从物体反射回来的信息分开，Waterlooís大学量子计算研究所(IQC)和化学系的副教授乔纳森·鲍(Jonathan Baugh)说，他与IQC和滑铁卢纳米技术研究所的其他三位研究人员一起领导了一个量子雷达研究项目。

雷达频率有时会受到大量背景噪声的影响，这些背景噪声是由热辐射和黑体辐射、杂散无线电信号或太阳风撞击大气层等物体产生的无线电噪声造成的，这些噪声会掩盖信号。

在像北极地区这样的高海拔地区，这种情况尤其严重。在这样的区域，不反射太多光线的隐形飞机只会成为背景噪音的一部分。

通过使用纠缠光子的分裂光束，量子雷达理论上将允许军方增强雷达信号并丢弃一些噪声，使探测更有效。

例如，如果发射的光子与目标接触，就会被目标反射并返回空间站。在这一点上，可以对两个光子进行“相关实验”或测量，以确定它是否实际上是返回的光子，而不仅仅是背景噪声。

“这给了你一个优势，因为这样就有可能从环境背景噪声中分离出‘真正的’光子——已知从基站发出并反射回来的光子。这些信息很有用，因为它可以让你筛选出隐藏在噪声中的小信号，并告诉你你检测到的光子不是随机的，”Baugh解释道。

麻省理工学院机械工程和物理学教授Seth Lloyd说，这是量子纠缠的“怪异”的一部分，这使得测量和探测发出的光子成为可能，即使是在极其嘈杂的环境中。

“在这些情况下，理论上量子雷达将允许军队增强信号并丢弃一些噪声，使探测更有效，”劳埃德补充道。

此外，由于量子以更少的能量获得更好的结果，它将更难被敌人发现。

劳埃德说:“如果飞机探测到敌人的雷达，他们可以对其进行干扰，但探测量子雷达将会困难得多——我认为这是主要的影响之一。”

尽管中国声称已经开发出了量子雷达系统——鲍、劳埃德和艾伦认为“不可信”——但要实现这样一个系统仍存在许多技术挑战。

主要原因是量子信息非常脆弱。艾伦说:“最轻微的噪音或大气干扰可以立即或完全破坏它，这被称为退相干，并破坏了它的效用。”

他说，洛克希德公司正在努力克服这个问题，方法是将量子光子封装在一个茧中，他亲切地称之为“灰姑娘的马车”。

艾伦说，他相信中国人已经使用量子雷达系统进行了一次成功的实验，但他们通过有效的欺骗克服了退相干问题。他说，中国研究人员将量子雷达发生器安装在太空中的一颗卫星上，这基本上意味着它不是在大气中传播量子束，而是在真空中传播。另外，电话是在西藏的高海拔山区。

他解释说:“尽管他们在9.1亿光子中损失了9亿光子，但有1000万光子侥幸通过，因为他们提高了功率，减少了大气。”

开发量子雷达的其他挑战包括创建高度可靠的纠缠光子流和建造极其灵敏的探测器。

Baugh解释说:“因为我们是在单光子水平上工作，我们要处理的功率水平比传统雷达系统弱许多个数量级，这就带来了技术挑战。”

Baugh解释说，他和滑铁卢大学的一组研究人员正在开发一种可靠的量子光源，以非常高的速率产生光子对，以建立足够的信号来实时检测事物。

目前最好的纠缠光子源使用参数下转换每秒产生大约1000万对。这是一种光泵浦技术，使用激光照射非线性晶体，随机产生纠缠光子。

研究人员正在建造一种电子设备，他们希望通过电力驱动的源来实现每秒十亿对或每纳秒一对的演示，这种电源不是随机的，而是可控的。

新的纠缠光子源将直接插入量子激光雷达系统;它将发射可见光或近红外波段的光子，或者将波长转换为微波频率，可用于量子雷达。还有一年半的时间，Baugh说到目前为止的实验都达到了预期。

还有其他一些研究小组，其中一个由滑铁卢大学的克里斯·威尔逊领导，他们直接在微波区域创造了纠缠光子对。

另一个挑战是，该技术需要在4开尔文的温度下工作，这是大多数固态量子技术访问所利用的量子态的典型条件。

而且，在实践中，它需要与Baugh所描述的“非常复杂的实时分析”相结合，使其成为一个可行的系统，但他补充说，“我对它的实用性持乐观态度”。

劳埃德说，量子雷达一旦开发出来，就会“解除隐形飞机的隐身”，这只是一个理论，更有可能的是，隐身性的元素会保留下来。

艾伦也认为，说量子雷达将击败隐形是“对问题的严重过度简化”。

“量子雷达的主要好处，如果你有一个有效的，将是更高分辨率的图像，一个更精确的图像，这将使你不仅可以探测到入侵的敌机或导弹的存在，还可以让你确定它的形状、速度和大小——它有多少个鳍片等等。而普通雷达只能看到一个斑点，你不知道它是什么，”他说。

至于声称拥有量子雷达能力的竞赛，劳埃德和艾伦都不认为中国即将构成威胁。

“这不是中国通常擅长的领域，所以我不会说他们正在取得飞跃式发展;然而，如果他们花费90亿美元，他们可能会有所作为，”劳埃德说。

他补充说，与他交谈过的美国国防部的一些人认为，中国的声明是虚张声势，目的是吓唬美国人及其隐形战斗机的使用。

然而，根据艾伦的说法:“如果中国成功解决了退相干问题，就可以制造出许多量子技术。”

事实上，在量子霸权的竞争中，美国、加拿大、英国和其他国家拥有明显的优势——能够利用其盟友的工作成果。

现实地说，有人能够建造商用量子雷达吗?如果能，什么时候能建造?劳埃德发表了第一批关于量子照明的论文之一，他说，虽然大规模量子计算机可能需要“十年”，但在该领域工作的量子雷达原型可能只需要“五到十年”。

“仍有一些基础科学有待完成，但在几年内，毫无疑问将有更多的应用工程将其转化为真正的技术——这一切都取决于资金，”他总结道。