Remote Sensing更新 | 理解量子雷達(dá)的限制和可能性

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引言
量子雷達(dá)(QR)近年來引起了廣泛關(guān)注，可提供增強(qiáng)的探測能力和潛在的優(yōu)勢(shì)，超越經(jīng)典雷達(dá)系統(tǒng)。本文旨在全面概述量子雷達(dá)技術(shù)、其理論基礎(chǔ)以及目前限制其廣泛應(yīng)用的實(shí)際限制[1]。



+ M' r! N1 p5 P% q量子雷達(dá)基礎(chǔ)
! G4 W& L; r9 f: \' ]. F量子雷達(dá)基于量子照明(QI)原理，利用糾纏光子對(duì)來探測和定位目標(biāo)。這個(gè)概念涉及生成糾纏光子對(duì)，其中一個(gè)光子(信號(hào))被發(fā)送到潛在目標(biāo)，而另一個(gè)(閑置)被保留在接收器。探測過程依賴于接收到的光子與存儲(chǔ)的閑置光子之間的相關(guān)性。
9 W: V8 r) J. ?2 t
( I$ n* e0 j2 w2 r& j* ^已提出兩種主要類型的量子雷達(dá)：
1. 量子照明(QI)雷達(dá)
2. 量子雙模壓縮(QTMS)雷達(dá)
: f8 ]% M4 g% _$ ?! h) }
QTMS雷達(dá)的操作類似于傳統(tǒng)雷達(dá)，但利用量子效應(yīng)可能增強(qiáng)探測能力。

/ X( Y' T# ]& p' b* |
# O8 Q5 Z" G6 {+ }* {8 t圖1：比較了傳統(tǒng)雷達(dá)(CR)、噪聲雷達(dá)(NR)和量子雷達(dá)(QR)的框圖，突出了信號(hào)生成和處理的差異。
# u! j, a3 i/ M) N7 @( A" Y

& p1 _0 b$ m6 \+ ]光子統(tǒng)計(jì)和背景噪聲
量子雷達(dá)操作的一個(gè)關(guān)鍵方面是信號(hào)光子和背景噪聲光子之間的關(guān)系。每個(gè)模式的平均背景光子數(shù)(NB)由玻色-愛因斯坦方程描述：
" \) R9 N$ @$ m. w
! m% K& S6 g& q# D8 D
! P& ~2 f& ^1 t: P# f其中：
& V7 a% G! B. M% u! jh = 普朗克常數(shù)
2 Y9 W* h- c4 ]. k4 m( Zf = 頻率
$ f) y  O# s- j8 R; K+ m3 kKB = 玻爾茲曼常數(shù)
Ts = 系統(tǒng)溫度

6 s- g) N+ `" [9 f4 C9 g
圖2：顯示了不同系統(tǒng)溫度下每單位模式的平均光子數(shù)(NB)與頻率的關(guān)系，說明了頻率與背景噪聲之間的關(guān)系。
0 q1 A9 o5 J/ J5 f* b
量子雷達(dá)的距離限制
& ?9 w0 D2 M. K: X- G0 B( ?3 ?量子雷達(dá)系統(tǒng)的最大探測距離受到幾個(gè)因素的根本限制，包括發(fā)射的光子數(shù)、目標(biāo)的雷達(dá)截面積和系統(tǒng)的噪聲溫度。

* s9 J8 u1 g& a7 ]& S" E* G距離R處目標(biāo)的自由空間雙向衰減由以下公式給出：


其中：
G = 天線增益
λ = 波長
σ = 雷達(dá)截面積


0 H2 t2 X; @' a/ N$ h圖3：顯示了X波段頻率下不同天線增益的自由空間衰減(aR)與距離的關(guān)系，展示了衰減隨距離的快速增加。

量子雷達(dá)的最大探測距離(Rmax)可以用以下公式計(jì)算：

9 \" ^, v! a; ^
其中：
# x7 h2 J7 \& `' ?: v8 v1 Q3 PL = 總損耗
SNRmin = 最小所需信噪比
Ns = 每個(gè)模式的平均信號(hào)光子數(shù)
, U. D6 ]' d, H9 L3 x4 J; a5 bηQ = 量子優(yōu)勢(shì)
6 Z& g" O5 l+ K" `4 l! @7 OB = 帶寬
T = 信號(hào)持續(xù)時(shí)間
4 ?' W2 J$ c" Y8 t  I- ?
圖4顯示了X波段QR的雷達(dá)探測距離(Rmax)與不同系統(tǒng)溫度和量子優(yōu)勢(shì)下的時(shí)間持續(xù)關(guān)系，說明了量子雷達(dá)系統(tǒng)的有限探測距離。
. @' ]0 \, H0 w. n
3 \$ G3 f; j! P/ f' A: \
與經(jīng)典雷達(dá)和噪聲雷達(dá)的比較
為了理解量子雷達(dá)的潛在優(yōu)勢(shì)和限制，比較其與經(jīng)典雷達(dá)(CR)和噪聲雷達(dá)(NR)系統(tǒng)非常重要。
1 b, T+ t0 M8 S; m2 ^
, T2 _* t8 X" G; i  O1 ?2 M噪聲雷達(dá)波形
噪聲雷達(dá)系統(tǒng)使用可以調(diào)整的偽隨機(jī)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)理想的特性，如低峰值旁瓣電平(PSL)和可接受的峰均比(PAPR)。相比之下，量子雷達(dá)信號(hào)本質(zhì)上是隨機(jī)的，無法修改，導(dǎo)致由于較差的PAPR而造成更高的損耗。
5 U, e/ M0 q# r& w5 o

* W2 n4 u5 h& F9 o$ g! r圖5：說明了信噪比損耗與PAPR之間的關(guān)系，顯示了定制噪聲雷達(dá)波形相對(duì)于量子雷達(dá)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。
6 M& T4 @( {: Q( c0 i
' h0 J. w2 n8 H: ?' M0 k; V( ^探測距離比較
噪聲雷達(dá)和量子雷達(dá)之間的最大探測距離比可以表示為：

& w* R* |7 V$ E& \其中：
PT = 發(fā)射功率
1 C' \) J: t8 g% X4 N5 l6 s7 X! ?KB = 玻爾茲曼常數(shù)
+ w6 `2 b6 ]% w/ NTs = 系統(tǒng)溫度
B = 帶寬
! w* g. {7 i; G# M: D6 R0 ~& x/ WNB = 每個(gè)模式的平均背景光子數(shù)
Ns = 每個(gè)模式的平均信號(hào)光子數(shù)
) l; l3 W8 m2 E, D- W1 L) s" M% Y1 aηQ = 量子優(yōu)勢(shì)
  H0 p$ c! D7 ?5 v" H9 T/ G. p

圖6：比較了X波段頻率下噪聲雷達(dá)和量子雷達(dá)的最大探測距離，展示了噪聲雷達(dá)相對(duì)于量子雷達(dá)的顯著距離優(yōu)勢(shì)。
# t% W1 \& C/ [8 \0 U2 v& B
3 y6 a6 b  o- i' r* O" X5 a
# l0 p) K- i, M6 G實(shí)際限制和挑戰(zhàn)
幾個(gè)實(shí)際限制和挑戰(zhàn)阻礙了量子雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施：
1. 低信號(hào)光子計(jì)數(shù)：量子雷達(dá)在每個(gè)模式光子數(shù)很少(Ns
9 l0 k6 g2 ~8 P6 _) s2. 低溫冷卻需求：為實(shí)現(xiàn)理論上的量子優(yōu)勢(shì)，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)（包括天線）必須冷卻到極低溫度（接近絕對(duì)零度），這對(duì)大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來說是不切實(shí)際的。
3. 有限帶寬：量子雷達(dá)系統(tǒng)的帶寬受到監(jiān)管和技術(shù)限制，通常不超過載波頻率的10%。
4. 大氣效應(yīng)：在量子效應(yīng)更明顯的較高頻率下，大氣衰減成為一個(gè)關(guān)鍵因素，限制了系統(tǒng)的操作范圍。
5. 目標(biāo)波動(dòng)和多普勒效應(yīng)：量子雷達(dá)所需的長積分時(shí)間使系統(tǒng)容易受到目標(biāo)閃爍和多普勒頻率偏移的影響，可能會(huì)抵消任何量子優(yōu)勢(shì)。

潛在應(yīng)用和未來前景
雖然量子雷達(dá)當(dāng)前的限制使其不適合傳統(tǒng)目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測，但在某些特定應(yīng)用中可能找到用途：
1. 短程感測：生物醫(yī)學(xué)感測、微波斷層掃描和非侵入式生命體征監(jiān)測等應(yīng)用可能受益于量子雷達(dá)的低功率特性。
, w. l5 B+ d) L; h* J; Q% W2. 細(xì)胞生物學(xué)研究：在需要對(duì)單個(gè)細(xì)胞施加極低輻射功率的情況下，量子照明技術(shù)可能有用。
3. 高頻感測：由于量子效應(yīng)在更高頻率下更加明顯，在太赫茲、紅外或光學(xué)領(lǐng)域可能存在潛在應(yīng)用。
4. 其他領(lǐng)域的量子感測：量子照明原理可能在雷達(dá)以外的其他感測和計(jì)量領(lǐng)域找到應(yīng)用。

結(jié)論
量子雷達(dá)技術(shù)雖然在理論上有前景，但面臨著嚴(yán)重的實(shí)際挑戰(zhàn)，限制了其在實(shí)際場景中的應(yīng)用。固有的距離限制，加上對(duì)低溫冷卻的需求，以及無法在不失去量子優(yōu)勢(shì)的情況下放大信號(hào)，使量子雷達(dá)不適用于大多數(shù)常規(guī)雷達(dá)應(yīng)用。

量子雷達(dá)據(jù)稱的優(yōu)勢(shì)，如改進(jìn)隱身目標(biāo)的探測或顯著增強(qiáng)距離性能，并未得到當(dāng)前理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。事實(shí)上，傳統(tǒng)雷達(dá)和噪聲雷達(dá)系統(tǒng)在探測距離和整體性能方面始終優(yōu)于量子雷達(dá)。

- J! A, c. j7 P* B然而，量子雷達(dá)的研究已經(jīng)促進(jìn)了我們對(duì)量子感測的理解，可能為其他領(lǐng)域的新應(yīng)用開辟機(jī)遇。隨著研究的繼續(xù)，以批判和現(xiàn)實(shí)的視角看待量子雷達(dá)技術(shù)非常重要，重點(diǎn)關(guān)注其獨(dú)特屬性可能提供真正優(yōu)勢(shì)的潛在特定應(yīng)用。

未來的量子雷達(dá)研究應(yīng)該集中于：

開發(fā)更高效的方法來生成和探測微波頻率下的糾纏光子對(duì)。

探索短程、低功率感測場景中的潛在應(yīng)用。

研究在其他頻段（如太赫茲或光學(xué)領(lǐng)域）使用量子照明原理的可能性。

解決實(shí)施量子雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際挑戰(zhàn)，包括低溫冷卻和信號(hào)處理。

. Y3 d! ?- M) Q1 C通過理解量子雷達(dá)的限制和可能性，研究人員和工程師可以更好地引導(dǎo)他們的努力，開發(fā)實(shí)用的量子感測技術(shù)，有朝一日可能補(bǔ)充或增強(qiáng)現(xiàn)有的雷達(dá)和感測系統(tǒng)。
, N3 B: q7 a& J0 e
  w& a8 h" P4 E% t, a
參考文獻(xiàn)
0 C  A# x$ e2 g" N6 @% S8 Q[1] G. Pavan and G. Galati, "Range Limitations in Microwave Quantum Radar," Remote Sens., vol. 16, no. 2543, pp. 1-20, Jul. 2024, doi: 10.3390/rs16142543.

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