從珠海航展量子雷達(dá)首秀出發(fā)淺談量子技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

劉佳敏

摘要：最近，珠海航展吸引了好多人的目光，其中一款量子雷達(dá)更是備受矚目。量子雷達(dá)的面試離不開量子技術(shù)，今天我們就從珠海航展量子雷達(dá)首秀出發(fā)淺談量子技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。本文首先概述了什么是量子雷達(dá)，接著介紹了量子技術(shù)的發(fā)展史，然后介紹了量子技術(shù)在通信、計(jì)算、雷達(dá)三個(gè)方面的應(yīng)用。最后，探討了量子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，包括量子技術(shù)的商業(yè)化、應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大化、量子產(chǎn)業(yè)規(guī)模化。

關(guān)鍵詞：珠海航展;量子雷達(dá);量子技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN959 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0212-03

0 引言

2018年11月6日，由珠海航展有限公司承辦的第十二屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)在廣州珠海展開。展覽過程中，有很多令人震撼的裝備展出，諸如小而精的JY-300無人預(yù)警機(jī)、全球最快的反艦導(dǎo)彈、各種察打一體無人機(jī)等，但最吸引人眼球的還是有中國(guó)電科集團(tuán)14所研制的量子雷達(dá)，這款量子雷達(dá)之前一直若隱若現(xiàn)，吊足了大眾的胃口，如今終于能一睹它的廬山真面目了。

圖1就是航展中展出的量子雷達(dá)，如圖中藍(lán)色剪頭指示、如同望遠(yuǎn)鏡一樣的裝置分別是量子信號(hào)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，紅色箭頭指示的圓柱體裝置是數(shù)據(jù)處理器。這款量子雷達(dá)通過收發(fā)量子信號(hào)實(shí)現(xiàn)探測(cè)的，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)功能，這在國(guó)際上也屬第一次，這一成果意味著量子雷達(dá)已經(jīng)突破了傳統(tǒng)雷達(dá)的探測(cè)極限。同時(shí)這款基于量子技術(shù)的雷達(dá)還具備識(shí)別隱身的平臺(tái)、分辨武器系統(tǒng)等特點(diǎn)，能夠?yàn)檐婈?duì)感知能力和探測(cè)能力提供強(qiáng)大的助力。這些功能的實(shí)現(xiàn)全部依賴于量子技術(shù)，那么接下來將與你共同認(rèn)識(shí)神奇的量子技術(shù)。

1 量子雷達(dá)簡(jiǎn)介

雷達(dá)是一種利用電磁波實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)的電子設(shè)備，在軍事和民事應(yīng)用中具有非常重要的意義。隨著對(duì)探測(cè)水平要求的不斷提升，雷達(dá)探測(cè)技術(shù)也在不斷精進(jìn)。前文說到的量子雷達(dá)就是其中一種基于量子物理學(xué)理論的新型雷達(dá)探測(cè)技術(shù)。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，量子雷達(dá)可分為三種類型。

第一種類型為干涉式量子雷達(dá)。這種雷達(dá)的模型是馬赫澤德干涉儀，獲取目標(biāo)的主要形式是通過兩條光路的相位差，這種方式具有較高的精確度，而且通過多年學(xué)術(shù)研究驗(yàn)證，干涉式量子雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)超靈敏探測(cè)，具有非常高的實(shí)際應(yīng)用潛力。

第二種類型為接收端量子增強(qiáng)雷達(dá)。這種量子雷達(dá)的主要目的是為了避免量子信號(hào)與目標(biāo)之間的產(chǎn)生消相干作用，影響探測(cè)效果，所以在該雷達(dá)的接收端增加了量子增強(qiáng)技術(shù)減少背景噪音，同時(shí)在發(fā)射端還增加了電磁波來照射目標(biāo)，兩端同時(shí)作用能夠提升雷達(dá)信噪比，在探測(cè)微弱信號(hào)或者獲得高分辨率圖像等方面就有重要的實(shí)用價(jià)值。

第三種類型就是量子照明雷達(dá)。這種量子雷達(dá)在接收端和發(fā)射端都利用量子技術(shù)，不再使用傳統(tǒng)的相位差確定目標(biāo)，而是利用了一對(duì)糾纏光子之間的緊密聯(lián)系，在一對(duì)糾纏光子中，一個(gè)被留在接收端，另外一個(gè)則發(fā)射到目標(biāo)位置，以兩個(gè)糾纏光子的關(guān)聯(lián)關(guān)系所引發(fā)的變化分析目標(biāo)。這種方法受環(huán)境影響而產(chǎn)生的損耗小，能非常有效地探測(cè)目標(biāo)，比經(jīng)典照明目標(biāo)探測(cè)更有意義。

2 量子技術(shù)發(fā)展史

1900年普朗克在熱輻射的研究中第一次發(fā)現(xiàn)了量子，首次向世人揭示了微觀世界的非連續(xù)本性。1905年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光不僅具有波動(dòng)性，還同時(shí)具有粒子性，因此提出了光量子的假說，揭示了光的波粒二象性，這一性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)發(fā)展了量子概念。在此基礎(chǔ)上，1924年德布羅意提出了物質(zhì)波的假說，說明不僅光具有波粒二象性，所有物質(zhì)粒子都是如此。1925年，薛定諤在德布羅意研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)波的演化方程，即著名的薛定諤方程，建立了波動(dòng)力學(xué)。1944年，薛定諤又試圖把量子力學(xué)、生命科學(xué)、熱力學(xué)三個(gè)學(xué)科融合，可以說這是量子技術(shù)的前身。終于，1980年基于量子技術(shù)的核磁共振開始在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)使用，隨后生命信息檢測(cè)儀也投入使用。1990年，用于診斷早期腫瘤的量子共振檢測(cè)儀被美國(guó)發(fā)明出來。2016年，我國(guó)于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了世界上首顆量子衛(wèi)星。2016年，由中國(guó)國(guó)防企業(yè)研制的能夠發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)的量子雷達(dá)問世。

3 量子技術(shù)的應(yīng)用

自1900年普朗克發(fā)現(xiàn)量子以來，量子的相關(guān)研究已經(jīng)持續(xù)了100多年，隨著這100多年來該領(lǐng)域技術(shù)的不斷精進(jìn)，這個(gè)技術(shù)也為人類的生產(chǎn)生活帶來了顛覆性的變化。尤其是激光技術(shù)的利用，更是為制造業(yè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等行業(yè)揭開了新的篇章。量子技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景主要涉及三個(gè)，即量子通信、量子計(jì)算及量子雷達(dá)。

3.1 量子通信

目前來說，其實(shí)量子通信并沒有一個(gè)非常嚴(yán)格的定義。如果從物理學(xué)角度，我們可以簡(jiǎn)單的把其理解為量子效應(yīng)在物理極限下實(shí)現(xiàn)的高性能通信。如果從信息學(xué)角度來看，利用量子態(tài)不可克隆或其測(cè)量坍塌性質(zhì)、量子測(cè)量或量子態(tài)隱形傳輸?shù)确椒ㄟM(jìn)行的信息傳輸。量子通信的傳輸系統(tǒng)與其他信息傳輸系統(tǒng)類似，涉及的關(guān)鍵設(shè)備包括信源、信道、信宿、變換器、反變化器組成，與經(jīng)典信息傳輸模型不同的是，通過經(jīng)典信號(hào)轉(zhuǎn)換成量子信息后經(jīng)由量子信道進(jìn)行傳輸，接收端接收到信號(hào)后再將量子信號(hào)轉(zhuǎn)換為經(jīng)典信號(hào)處理。

量子通信有兩個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，一個(gè)是特別安全。利用量子進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)姆绞?，由于量子是物質(zhì)的最小單元等性質(zhì)，使得如果在傳輸過程中信息被截獲、竊聽或者復(fù)制，量子都會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生變化，那么接收端接收到的量子信息也必然出現(xiàn)異常并及時(shí)被接收端感知。從這個(gè)優(yōu)勢(shì)上來說，量子通信也被看做是無條件安全或者說絕對(duì)安全的信息傳輸方式。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是無障礙傳輸。在量子力學(xué)領(lǐng)域有一個(gè)現(xiàn)象叫做量子糾纏態(tài)，相互糾纏的兩個(gè)粒子就像一對(duì)心有靈犀的雙胞胎，無論兩個(gè)粒子距離多遠(yuǎn)，只要其中一個(gè)發(fā)生變化另一個(gè)會(huì)立刻有所反應(yīng)。利用量子糾纏態(tài)下兩個(gè)粒子之間的相互感應(yīng)關(guān)系進(jìn)行信息傳輸，不會(huì)經(jīng)歷空間衰減即可獲知信息情況，絕對(duì)不存在任何障礙阻礙信息傳輸。

3.2 量子計(jì)算

20世紀(jì)發(fā)展速度最快的技術(shù)就是以集成電路為基礎(chǔ)發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)以及光纖通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這三個(gè)技術(shù)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來了飛速的發(fā)展，也將我們生產(chǎn)生活的效率成倍增加。但人類對(duì)速度和效率的追求是沒有止境的，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展需求要求計(jì)算機(jī)的元器件要朝著更精巧的方向發(fā)展，未來迎接我們的將是以原子、離子、分子、電子等微觀世界的應(yīng)用發(fā)展，那么這個(gè)時(shí)候微觀世界的各類量子效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。我們知道，微觀世界很多效應(yīng)與宏觀世界有很大的區(qū)別，為了解決這些效應(yīng)帶來的問題也為了能夠有效地利用這些效應(yīng)，量子計(jì)算將起到重要的作用。

同前文所說的量子通信已經(jīng)開始在生活中開始應(yīng)該不同，量子計(jì)算還只是處于一個(gè)起步的階段。但是基于量子計(jì)算所能引發(fā)的超強(qiáng)計(jì)算能力，量子計(jì)算早就已經(jīng)成為科研學(xué)者必爭(zhēng)的高地。目前，市面上所建立的量子計(jì)算物理模型主要包括光量子計(jì)算機(jī)、核磁共振量子計(jì)算機(jī)及離子阱量子計(jì)算機(jī)等，量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方式也主要涉及兩個(gè)方面，即利用量子糾纏態(tài)和不利用量子糾纏態(tài)。從所能實(shí)現(xiàn)的功能來看，雖然只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能解決的問題，但在計(jì)算速度上要快于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

3.3 量子雷達(dá)

量子技術(shù)最重要的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景就是量子雷達(dá)，這種全新理念的雷達(dá)突破原有雷達(dá)的探測(cè)功能，靈敏度更高、探測(cè)距離更遠(yuǎn)、獲得數(shù)據(jù)更加可靠，更重要的是能實(shí)現(xiàn)反隱身技術(shù)。量子雷達(dá)能夠擁有這些優(yōu)勢(shì)，主要還是因?yàn)槔走_(dá)發(fā)射的探測(cè)信號(hào)載體是量子。通過在量子通信中的分析，我們知道量子信息如果在中途發(fā)生變化，是無法通過其他途徑進(jìn)行彌補(bǔ)的，所以雷達(dá)隱形飛機(jī)的隱形手段或者其他雷達(dá)信號(hào)破壞手段對(duì)量子雷達(dá)都不起作用。

與傳統(tǒng)雷達(dá)相比，量子雷達(dá)的靈敏度如此之高的原因是其傳輸?shù)男盘?hào)載體是單個(gè)的量子，信號(hào)傳輸過程中所涉及到的接收、調(diào)制、檢測(cè)的均是量子，不會(huì)受到環(huán)境背景中如不同頻段、雜波等其他因素的干擾而產(chǎn)生的損耗，也就是說量子雷達(dá)在信號(hào)發(fā)射端發(fā)出來的是什么，接收端將接收到一模一樣的信息，相當(dāng)于信息的完美克隆，因此也就造就了非常的靈敏度。另外，量子雷達(dá)調(diào)制方式與傳統(tǒng)雷達(dá)的調(diào)制方式比更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榍罢哒{(diào)制對(duì)象是量子態(tài)，也就意味著能夠調(diào)制的維度更高，對(duì)目標(biāo)而言，高緯度的調(diào)制就意味著對(duì)微弱目標(biāo)的檢測(cè)能力更強(qiáng)，也提升了反偵聽能力，提高了信號(hào)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

4 量子技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

通過前文分析，我們已對(duì)量子技術(shù)的巨大潛力有所了解，雖然量子技術(shù)目前依然存在很多挑戰(zhàn)以及很多沒有解決的問題，但量子技術(shù)更加有力地為人類社會(huì)進(jìn)步助力依然是我們的追求目標(biāo)，量子技術(shù)也必將離我們的生活越來越近。

4.1 量子技術(shù)商業(yè)化

量子技術(shù)潛藏的巨大能量正在被人類一點(diǎn)一點(diǎn)挖掘，但由于技術(shù)手段等各方面限制，使得量子技術(shù)的使用成本很高，所以目前量子技術(shù)的應(yīng)用基本都在比較高端的行業(yè)，如軍事、航空航天領(lǐng)域，對(duì)平民百姓的生活滲透的并不深入。但物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)于更多數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理需求，量子技術(shù)獎(jiǎng)發(fā)揮巨大作用，如果能夠把量子技術(shù)與人工智能融合，那人工智能的智慧程度將比現(xiàn)在智慧水平的高得多，甚至能制造出超過大自然能力的事。近幾年，中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家紛紛宣布在量子計(jì)算方面取得的成果，并表示出面向大眾開放的意愿，相信量子技術(shù)在不久的將來就能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。

4.2 應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大化

如同量子技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化一樣，量子技術(shù)深入涉及的領(lǐng)域也比較有限。目前量子技術(shù)被應(yīng)用最多也最深入的僅有量子通信技術(shù)，量子雷達(dá)和量子計(jì)算僅停留在實(shí)驗(yàn)研究階段，并未真正進(jìn)行投產(chǎn)使用。但面對(duì)量子技術(shù)潛在的巨大能力，現(xiàn)在的使用情況未免有些大材小用。未來，量子技術(shù)必將延伸到各行各業(yè)，將其內(nèi)在的巨大能量發(fā)揮到極致。

4.3 量子產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?/p>

量子技術(shù)的發(fā)展目前還處于初級(jí)階段，對(duì)其它行業(yè)的滲透僅是淺嘗輒止。從僅有的技術(shù)手段應(yīng)用到各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的產(chǎn)品中所產(chǎn)生的效果來看，已經(jīng)能夠解決很多傳統(tǒng)手段無法解決的問題，比如經(jīng)過量子技術(shù)植入護(hù)膚品后的皮膚更加細(xì)膩，經(jīng)過量子水質(zhì)處理器處理過的水，其中攜帶的與糖尿病康復(fù)相關(guān)信息達(dá)到80種。由此可見量子技術(shù)的商業(yè)化價(jià)值非?？捎^，掌握了量子技術(shù)就是掌握了新的商業(yè)武器。未來，量子產(chǎn)業(yè)將趨于規(guī)?；?，為企業(yè)創(chuàng)造更多效益。

5 結(jié)語

量子雷達(dá)的展示說明中國(guó)的量子技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，我們有了首顆量子衛(wèi)星、有了第一條量子通訊的保密干線、有了量子通訊衛(wèi)星，但我們也只不過才剛剛進(jìn)入量子技術(shù)領(lǐng)域的大門而已。量子技術(shù)是一個(gè)“嚇人”的科技，愛因斯坦曾將相對(duì)論和量子力學(xué)進(jìn)行比較，他認(rèn)為世界上完全理解量子力學(xué)的人并沒有。量子技術(shù)所在的領(lǐng)域中，宏觀世界的很多基本常識(shí)都是不成立的，別說上個(gè)世紀(jì)的人，即使以現(xiàn)在的技術(shù)水準(zhǔn)依然沒有誰敢說了解量子世界。但我們相信隨著研究的深入，更多的性質(zhì)、更多的現(xiàn)象會(huì)被我們利用，未來顛覆式的生活值得我們期待！

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Talking about the application of quantum technology from

the first show of Zhuhai Airshow Quantum Radar

LIU Jia-min

（Xi'an Xibu Culture Training Center，Xi'an Shaanxi? 710068）

Abstract：Recently， the Zhuhai Air Show has attracted a lot of people's attention， and one of the quantum radars has attracted much attention. Quantum radar interviews are inseparable from quantum technology. Today we will talk about the application of quantum technology from the first show of Zhuhai Airshow Quantum Radar. This paper first outlines what is quantum radar， then introduces the history of quantum technology， and then introduces the application of quantum technology in communication， computing， and radar. Finally， the development trend of quantum technology is discussed， including the commercialization of quantum technology， the expansion of application fields， and the scale of quantum industry.

Key words：Zhuhai Air Show;Quantum Radar;Quantum Technology