張文+張乃千

繼我國自主研制的世界首顆量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射后，我國科學(xué)家又在量子科學(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展。近日，由電子科技集團(tuán)第14研究所領(lǐng)銜研制的量子雷達(dá)取得重要進(jìn)展。

量子雷達(dá)是基于量子力學(xué)基本原理，主要依靠收發(fā)量子信號實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測的一種新型雷達(dá)體制。量子雷達(dá)具有探測距離遠(yuǎn)、可識別和分辨隱身平臺及武器系統(tǒng)等突出特點(diǎn)，未來可進(jìn)一步應(yīng)用于導(dǎo)彈防御和空間探測，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。作為洞察未來戰(zhàn)場的“千里眼”，量子雷達(dá)技術(shù)勢必掀起各軍事強(qiáng)國變革雷達(dá)技術(shù)的時(shí)代潮流。

古稀之年，雷達(dá)漸遇技術(shù)瓶頸

自1934年美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出首部脈沖雷達(dá)以來，世界各國競相發(fā)展雷達(dá)技術(shù)，經(jīng)歷了70余年的探索、改進(jìn)和完善之路。但隨著隱身技術(shù)和電子干擾技術(shù)的迅速發(fā)展，具有較高隱身能力的隱形飛機(jī)逐漸“飛入尋常百姓家”。美國的B-2“幽靈”戰(zhàn)略轟炸機(jī)、F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)和F-35“閃電II”戰(zhàn)斗機(jī)以及俄羅斯的T-50戰(zhàn)斗機(jī)都具備極強(qiáng)的戰(zhàn)場隱身能力。

隱形飛機(jī)主要通過波束控制手段和采用隱身涂料來降低雷達(dá)對飛機(jī)的探測能力。一方面可采用邊緣平行、武器系統(tǒng)內(nèi)置、減少平面和棱角等方式，另一方面可通過吸波材料吸收雷達(dá)照射的電磁波，從而使隱形飛機(jī)如同鳥兒一般隱藏在茫茫空天之中。傳統(tǒng)雷達(dá)不僅會因雷達(dá)探測回波減少而探測不到有效信號，更有可能因遭受虛假信號的干擾而產(chǎn)生誤判。

為提高雷達(dá)精確度、獲取高質(zhì)量圖像，傳統(tǒng)雷達(dá)信號載波向極窄脈沖發(fā)展。但受制于經(jīng)典電磁波理論限制，傳統(tǒng)雷達(dá)在探測隱身目標(biāo)、對抗干擾和誘餌方面遇到了技術(shù)瓶頸，在面對隱形戰(zhàn)機(jī)時(shí)常常變成“睜眼瞎”。提升雷達(dá)針對隱身平臺和其他目標(biāo)的探測、識別以及分析鑒別能力，研制可探測隱形飛機(jī)的新一代雷達(dá)成為各軍事大國加強(qiáng)防空力量的當(dāng)務(wù)之急。目前較為常見的隱形戰(zhàn)機(jī)探測方法包括無源探測雷達(dá)、米波雷達(dá)和雙基地雷達(dá)等。

將量子信息調(diào)制到雷達(dá)信號中，實(shí)現(xiàn)通過收發(fā)量子信號對目標(biāo)進(jìn)行探測的量子傳感器，就是量子雷達(dá)。量子雷達(dá)可探測、識別和分辨射頻隱身平臺及武器系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前的量子雷達(dá)系統(tǒng)主要包括利用單個(gè)光子照射目標(biāo)的單光子量子雷達(dá)和發(fā)射量子態(tài)光子的糾纏態(tài)光子量子雷達(dá)。相比于單光子量子雷達(dá)，糾纏態(tài)光子量子雷達(dá)利用量子糾纏技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)反射光子與雷達(dá)內(nèi)部光子測量對比，具有分辨率更高、有效探測距離更遠(yuǎn)和隱身目標(biāo)識別精確度高等優(yōu)勢。

道高一丈，隱形戰(zhàn)機(jī)“克星”將至

量子雷達(dá)是一種利用量子現(xiàn)象進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)感知和信息獲取的特殊傳感設(shè)備。量子雷達(dá)涉及到量子探測機(jī)理、目標(biāo)散射特性研究等相關(guān)內(nèi)容，可利用量子糾纏態(tài)進(jìn)一步提升探測靈敏度，有望解決傳統(tǒng)雷達(dá)存在的一系列問題。

隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，早在1995年，美國馬里蘭大學(xué)就首次完成了被稱為“鬼成像”的量子成像實(shí)驗(yàn)。目前，量子雷達(dá)技術(shù)仍處于研究和探索階段。美國國防部高級研究計(jì)劃局先后提出了開展量子雷達(dá)研究的“量子傳感器計(jì)劃”和“量子輔助傳感和讀出”項(xiàng)目，對量子雷達(dá)的增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了有效探索。此外，美國麻省理工、NASA、海軍實(shí)驗(yàn)室、空軍實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)都相繼開展了量子雷達(dá)的研究工作。

2012年，在美國國防部高級研究計(jì)劃局“單光量子信息”項(xiàng)目資助下，美國羅切斯特大學(xué)開發(fā)出了抗干擾量子雷達(dá)。該雷達(dá)利用偏振光子量子特性在接觸物體后發(fā)生改變這一原理，可輕易對隱身目標(biāo)進(jìn)行探測和成像。到2014年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室開展了可穿透煙霧和熱浪的量子成像傳感器的研究，并取得了“用于圖像增強(qiáng)和改進(jìn)的系統(tǒng)與方法”的創(chuàng)新技術(shù)專利，將進(jìn)一步推動(dòng)量子雷達(dá)成像系統(tǒng)的發(fā)展。

量子雷達(dá)是基于量子力學(xué)研制的新型成像系統(tǒng)，已經(jīng)登上了目前偵察探測領(lǐng)域的技術(shù)最高點(diǎn)。目前已經(jīng)研制出百千米探測的試驗(yàn)樣機(jī)，其探測靈敏度相對于傳統(tǒng)雷達(dá)得到大幅度提升。量子雷達(dá)的核心是連接微波與光波的雙腔轉(zhuǎn)換器。目前，研究人員已經(jīng)利用納米振蕩器實(shí)現(xiàn)微波與光波的耦合，可在信號傳輸過程中產(chǎn)生微波與光波的糾纏，并將探測目標(biāo)返回信號從微波轉(zhuǎn)換為光波。英國約克大學(xué)研究的量子雷達(dá)混合系統(tǒng)，可利用微波與光束之間的量子相關(guān)性進(jìn)行目標(biāo)探測，運(yùn)行功耗比傳統(tǒng)系統(tǒng)明顯降低，不僅可用于目標(biāo)探測，更在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著量子雷達(dá)技術(shù)發(fā)展不斷成熟，未來部署到地面和水面作戰(zhàn)艦艇的量子雷達(dá)，可對幾乎所有的空中目標(biāo)進(jìn)行探測，并可持續(xù)跟蹤目標(biāo)的軌跡和行蹤，將依靠其強(qiáng)大的反隱身技能成為隱形戰(zhàn)機(jī)的“克星”。裝備了量子雷達(dá)的作戰(zhàn)飛機(jī)，相當(dāng)于擁有了一雙戰(zhàn)場“遠(yuǎn)視眼”，可實(shí)現(xiàn)對極遠(yuǎn)距離目標(biāo)的提前打擊，作戰(zhàn)潛力驚人。

火眼金睛，量子顛覆未來戰(zhàn)爭

事實(shí)上，即使是最先進(jìn)的隱形戰(zhàn)斗機(jī)，也不可能在雷達(dá)面前消失的無影無蹤。傳統(tǒng)雷達(dá)采用低頻段探測、增大功率口徑和駐留時(shí)間等方式，以提升針對隱身目標(biāo)的檢測能力。相比于傳統(tǒng)雷達(dá)，量子雷達(dá)可以利用量子糾纏提高探測靈敏度，對復(fù)雜環(huán)境下小目標(biāo)具有更好地探測能力，可在高背景噪聲中識別出遠(yuǎn)距離微小信號。即使隱形戰(zhàn)機(jī)企圖攔截量子雷達(dá)信號并發(fā)送虛假信號進(jìn)行偽裝，量子雷達(dá)也可輕易發(fā)現(xiàn)欺騙過程和敵方的干擾行動(dòng)，并對目標(biāo)飛機(jī)行蹤做出準(zhǔn)確判斷，是當(dāng)之無愧的戰(zhàn)場“火眼金睛”。

量子雷達(dá)的出現(xiàn)，可最大限度避免戰(zhàn)機(jī)逃避有效偵察和跟蹤。采用量子糾纏態(tài)探測目標(biāo)的量子雷達(dá)，可使雷達(dá)回波信噪比得到顯著改善，進(jìn)一步全面提升雷達(dá)的探測性能。引入了量子計(jì)量技術(shù)的干涉型量子雷達(dá)，可依靠高度糾纏的量子態(tài)對目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測量，靈敏度極高，可充分提升雷達(dá)測距、測角和成像分辨率。

鑒于量子雷達(dá)強(qiáng)大的反隱身和抗干擾能力，目前美國海軍和陸軍都進(jìn)行了大量的量子雷達(dá)研究工作。據(jù)估算，僅裝備了單光子量子雷達(dá)制導(dǎo)的超遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)飛機(jī)，攻擊距離就可以提升至幾千千米之外，實(shí)現(xiàn)超視距作戰(zhàn)向千千米量級的非接觸式戰(zhàn)爭轉(zhuǎn)變。同時(shí)，由于對電磁波的依賴大為減少，量子雷達(dá)可有效避開利用探測電磁波開展工作的反輻射導(dǎo)彈攻擊，將進(jìn)一步改變現(xiàn)有導(dǎo)彈的作戰(zhàn)機(jī)理和作戰(zhàn)模式，促使戰(zhàn)場作戰(zhàn)形態(tài)向“量子化”轉(zhuǎn)變。

量子雷達(dá)目前遇到的主要技術(shù)難題是量子信息的調(diào)制與解調(diào)。微波粒子量子態(tài)的糾纏特性、相干性以及攜帶量子態(tài)信息載體的能量微弱性，都進(jìn)一步增加了量子信息傳輸和處理的難度。實(shí)現(xiàn)量子信息高效、穩(wěn)定地空間無線傳輸，著力提升量子雷達(dá)的實(shí)際工程化水平，是仍需深入研究的問題。

未來，利用量子成像傳感器進(jìn)行戰(zhàn)場觀測，可有效消除現(xiàn)有技術(shù)對成像產(chǎn)生的干擾，并濾過大氣氣流等干擾因素，可形成普通攝像機(jī)無法直接獲得的戰(zhàn)場圖像。基于量子雷達(dá)技術(shù)的地面固定雷達(dá)，機(jī)動(dòng)和艦載雷達(dá)以及機(jī)載、彈載雷達(dá)將“全面開花”，在戰(zhàn)略預(yù)警、區(qū)域防空和空中偵察以及精確打擊中得到廣泛應(yīng)用，成為未來戰(zhàn)爭的“顛覆者”。

責(zé)任編輯：彭振忠

摘自2016年9月22日《解放軍報(bào)》