量子雷達：洞察未來戰(zhàn)場的“千里眼”

張　文　張乃千

量子雷達：洞察未來戰(zhàn)場的“千里眼”

張文張乃千

繼我國自主研制的世界首顆量子科學試驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射后，我國科學家又在量子科學領(lǐng)域取得新進展。近日，由電子科技集團第14研究所領(lǐng)銜研制的量子雷達取得重要進展。

量子雷達是基于量子力學基本原理，主要依靠收發(fā)量子信號實現(xiàn)目標探測的一種新型雷達體制。量子雷達具有探測距離遠、可識別和分辨隱身平臺及武器系統(tǒng)等突出特點，未來可進一步應(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”，量子雷達技術(shù)勢必掀起各軍事強國變革雷達技術(shù)的時代潮流。

中國首顆量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射升空

古稀之年，雷達漸遇技術(shù)瓶頸

自1934年美國海軍研究實驗室開發(fā)出首部脈沖雷達以來，世界各國競相發(fā)展雷達技術(shù)，經(jīng)歷了70余年的探索、改進和完善之路。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逐漸“飛入尋常百姓家”。美國的B-2“幽靈”戰(zhàn)略轟炸機、F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機和F-35“閃電II”戰(zhàn)斗機以及俄羅斯的T-50戰(zhàn)斗機都具備極強的戰(zhàn)場隱身能力。

隱形飛機主要通過波束控制手段和采用隱身涂料來降低雷達對飛機的探測能力。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照射的電磁波，從而使隱形飛機如同鳥兒一般隱藏在茫茫空天之中。傳統(tǒng)雷達不僅會因雷達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。

為提高雷達精確度、獲取高質(zhì)量圖像，傳統(tǒng)雷達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)雷達在探測隱身目標、對抗干擾和誘餌方面遇到了技術(shù)瓶頸，在面對隱形戰(zhàn)機時常常變成“睜眼瞎”。提升雷達針對隱身平臺和其他目標的探測、識別以及分析鑒別能力，研制可探測隱形飛機的新一代雷達成為各軍事大國加強防空力量的當務(wù)之急。目前較為常見的隱形戰(zhàn)機探測方法包括無源探測雷達、米波雷達和雙基地雷達等。

將量子信息調(diào)制到雷達信號中，實現(xiàn)通過收發(fā)量子信號對目標進行探測的量子傳感器，就是量子雷達。量子雷達可探測、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。目前的量子雷達系統(tǒng)主要包括利用單個光子照射目標的單光子量子雷達和發(fā)射量子態(tài)光子的糾纏態(tài)光子量子雷達。相比于單光子量子雷達，糾纏態(tài)光子量子雷達利用量子糾纏技術(shù)實現(xiàn)目標反射光子與雷達內(nèi)部光子測量對比，具有分辨率更高、有效探測距離更遠和隱身目標識別精確度高等優(yōu)勢。

美軍新一代隱形戰(zhàn)斗機F-22和F-35已經(jīng)形成戰(zhàn)斗力

道高一丈，隱形戰(zhàn)機“克星”將至

量子雷達是一種利用量子現(xiàn)象進行目標狀態(tài)感知和信息獲取的特殊傳感設(shè)備。量子雷達涉及到量子探測機理、目標散射特性研究等相關(guān)內(nèi)容，可利用量子糾纏態(tài)進一步提升探測靈敏度，有望解決傳統(tǒng)雷達存在的一系列問題。

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

2012年，在美國國防部高級研究計劃局“單光量子信息”項目資助下，美國羅切斯特大學開發(fā)出了抗干擾量子雷達。該雷達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，可輕易對隱身目標進行探測和成像。到2014年，美國陸軍研究實驗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“用于圖像增強和改進的系統(tǒng)與方法”的創(chuàng)新技術(shù)專利，將進一步推動量子雷達成像系統(tǒng)的發(fā)展。

量子雷達是基于量子力學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。目前已經(jīng)研制出百千米探測的試驗樣機，其探測靈敏度相對于傳統(tǒng)雷達得到大幅度提升。量子雷達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，并將探測目標返回信號從微波轉(zhuǎn)換為光波。英國約克大學研究的量子雷達混合系統(tǒng)，可利用微波與光束之間的量子相關(guān)性進行目標探測，運行功耗比傳統(tǒng)系統(tǒng)明顯降低，不僅可用于目標探測，更在生物醫(yī)學等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著量子雷達技術(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，可對幾乎所有的空中目標進行探測，并可持續(xù)跟蹤目標的軌跡和行蹤，將依靠其強大的反隱身技能成為隱形戰(zhàn)機的“克星”。裝備了量子雷達的作戰(zhàn)飛機，相當于擁有了一雙戰(zhàn)場“遠視眼”，可實現(xiàn)對極遠距離目標的提前打擊，作戰(zhàn)潛力驚人。

量子模擬實驗室工作人員正在調(diào)試超冷原子光晶格平臺的激光伺服系統(tǒng)

初步研究結(jié)果表明，通過量子糾纏特性，可以增強量子雷達對目標的探測能力

火眼金睛，量子顛覆未來戰(zhàn)爭

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

量子雷達的出現(xiàn)，可最大限度避免戰(zhàn)機逃避有效偵察和跟蹤。采用量子糾纏態(tài)探測目標的量子雷達，可使雷達回波信噪比得到顯著改善，進一步全面提升雷達的探測性能。引入了量子計量技術(shù)的干涉型量子雷達，可依靠高度糾纏的量子態(tài)對目標參數(shù)進行測量，靈敏度極高，可充分提升雷達測距、測角和成像分辨率。

鑒于量子雷達強大的反隱身和抗干擾能力，目前美國海軍和陸軍都進行了大量的量子雷達研究工作。據(jù)估算，僅裝備了單光子量子雷達制導(dǎo)的超遠程空空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)飛機，攻擊距離就可以提升至幾千千米之外，實現(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，由于對電磁波的依賴大為減少，量子雷達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，將進一步改變現(xiàn)有導(dǎo)彈的作戰(zhàn)機理和作戰(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，都進一步增加了量子信息傳輸和處理的難度。實現(xiàn)量子信息高效、穩(wěn)定地空間無線傳輸，著力提升量子雷達的實際工程化水平，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，可形成普通攝像機無法直接獲得的戰(zhàn)場圖像。基于量子雷達技術(shù)的地面固定雷達，機動和艦載雷達以及機載、彈載雷達將“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”。

摘自2016年9月22日《解放軍報》

責任編輯：彭振忠