Remote Sensing更新 | 理解量子雷达的限制和可能性

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引言
量子雷达(QR)近年来引起了广泛关注，可提供增强的探测能力和潜在的优势，超越经典雷达系统。本文旨在全面概述量子雷达技术、其理论基础以及目前限制其广泛应用的实际限制[1]。
9 a, F2 T+ N  U9 W

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4 g0 N: ]- V! G3 w量子雷达基础
量子雷达基于量子照明(QI)原理，利用纠缠光子对来探测和定位目标。这个概念涉及生成纠缠光子对，其中一个光子(信号)被发送到潜在目标，而另一个(闲置)被保留在接收器。探测过程依赖于接收到的光子与存储的闲置光子之间的相关性。
3 A! ]+ U# U% }1 w" i6 W0 |
已提出两种主要类型的量子雷达：
1. 量子照明(QI)雷达
# |/ ~8 r$ \' d/ J2. 量子双模压缩(QTMS)雷达

4 C) L$ v& v" S; q9 b7 IQTMS雷达的操作类似于传统雷达，但利用量子效应可能增强探测能力。
# U, s; Q" \# M9 x

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图1：比较了传统雷达(CR)、噪声雷达(NR)和量子雷达(QR)的框图，突出了信号生成和处理的差异。
9 f& s% S9 J7 l! L  i7 h4 M7 [
5 _! V; m# K  \$ i" k: _
光子统计和背景噪声
4 j, |  t2 ]* e7 H3 `7 H# k量子雷达操作的一个关键方面是信号光子和背景噪声光子之间的关系。每个模式的平均背景光子数(NB)由玻色-爱因斯坦方程描述：

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. y$ p0 P' W$ l0 X5 R+ |
( T) v9 i2 o! C/ O- \其中：
h = 普朗克常数
f = 频率
KB = 玻尔兹曼常数
Ts = 系统温度

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图2：显示了不同系统温度下每单位模式的平均光子数(NB)与频率的关系，说明了频率与背景噪声之间的关系。
3 ?( o. @1 p% ^
$ C2 s' Y& T% {量子雷达的距离限制
量子雷达系统的最大探测距离受到几个因素的根本限制，包括发射的光子数、目标的雷达截面积和系统的噪声温度。
* L9 m: q0 h( y! n8 @$ S
; s" t& x, ]# {$ j" H距离R处目标的自由空间双向衰减由以下公式给出：

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7 y- ~9 ~! }8 h
, t$ \; T' p# I) y9 h, y. \其中：
  r8 M0 h7 m4 G3 uG = 天线增益
- q: N% o: I3 V0 b/ i  ]λ = 波长
σ = 雷达截面积
3 W, r* u9 `3 f" G
( i  A* {) V, ?0 F$ o

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$ C8 t* d! @8 z! H图3：显示了X波段频率下不同天线增益的自由空间衰减(aR)与距离的关系，展示了衰减随距离的快速增加。

9 U) w. c; [3 d! ~/ m量子雷达的最大探测距离(Rmax)可以用以下公式计算：

& i& C( w. B0 H; J: O  w6 c, M. @

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其中：
! F5 v8 h2 ~/ ~, N, B( l5 @L = 总损耗
  ]" g3 n' C( i! c& k- Q0 dSNRmin = 最小所需信噪比
Ns = 每个模式的平均信号光子数
ηQ = 量子优势
% n" S  M' z1 F% v+ Q6 V; y0 n! LB = 带宽
T = 信号持续时间
. A8 P& a$ N' g. M8 y) L

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7 h9 H$ ~6 a6 j0 B& M7 H图4显示了X波段QR的雷达探测距离(Rmax)与不同系统温度和量子优势下的时间持续关系，说明了量子雷达系统的有限探测距离。

7 ~) R% K' G0 Y6 k9 t% I
: d/ _( J5 f# X4 l/ [: d) w! A与经典雷达和噪声雷达的比较
为了理解量子雷达的潜在优势和限制，比较其与经典雷达(CR)和噪声雷达(NR)系统非常重要。
9 r: l8 b* k: E4 S
# y# h5 L0 N5 t1 [噪声雷达波形
7 c1 z! P4 U: r+ {* e, N噪声雷达系统使用可以调整的伪随机信号，以实现理想的特性，如低峰值旁瓣电平(PSL)和可接受的峰均比(PAPR)。相比之下，量子雷达信号本质上是随机的，无法修改，导致由于较差的PAPR而造成更高的损耗。
, B. G" }) P# e* m# T4 Q% u! n! r. P

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0 {* D" ^0 C3 o) \3 ]7 n图5：说明了信噪比损耗与PAPR之间的关系，显示了定制噪声雷达波形相对于量子雷达信号的优势。

# i& A. ?) d9 U2 T. F' B探测距离比较
噪声雷达和量子雷达之间的最大探测距离比可以表示为：
0 B! [+ O& T$ O, H

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4 b! ]* q: S8 c/ ^- R其中：
$ }1 G: Z+ V/ X0 N" h" l+ ?) q3 fPT = 发射功率
1 C+ \) v( s' E' \1 G# R- EKB = 玻尔兹曼常数
# _& L9 v; @6 N6 A8 zTs = 系统温度
B = 带宽
1 h6 G. p1 k) v" i; HNB = 每个模式的平均背景光子数
/ Z7 b: b- `. k  \7 E9 D4 gNs = 每个模式的平均信号光子数
ηQ = 量子优势

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图6：比较了X波段频率下噪声雷达和量子雷达的最大探测距离，展示了噪声雷达相对于量子雷达的显著距离优势。


$ O4 ^2 O. K; d. U1 ]# O3 @. A1 Q实际限制和挑战
几个实际限制和挑战阻碍了量子雷达系统的开发和实施：
9 P4 B& l4 w$ o! r; {1. 低信号光子计数：量子雷达在每个模式光子数很少(Ns
2. 低温冷却需求：为实现理论上的量子优势，整个雷达系统（包括天线）必须冷却到极低温度（接近绝对零度），这对大多数实际应用来说是不切实际的。
3. 有限带宽：量子雷达系统的带宽受到监管和技术限制，通常不超过载波频率的10%。
! z: G6 I! s. j% z1 \& k* W$ ~4. 大气效应：在量子效应更明显的较高频率下，大气衰减成为一个关键因素，限制了系统的操作范围。
5. 目标波动和多普勒效应：量子雷达所需的长积分时间使系统容易受到目标闪烁和多普勒频率偏移的影响，可能会抵消任何量子优势。
' B1 E2 Y' ]7 P: R% ]; y  m, N
* j8 E+ T4 i! z" b) w( q潜在应用和未来前景
$ n5 U+ i' f3 c* I- t虽然量子雷达当前的限制使其不适合传统目标的远程探测，但在某些特定应用中可能找到用途：
1. 短程感测：生物医学感测、微波断层扫描和非侵入式生命体征监测等应用可能受益于量子雷达的低功率特性。
/ w# A- e6 S1 U; w, X2. 细胞生物学研究：在需要对单个细胞施加极低辐射功率的情况下，量子照明技术可能有用。
! U$ V/ l: T4 q' W" a3. 高频感测：由于量子效应在更高频率下更加明显，在太赫兹、红外或光学领域可能存在潜在应用。
7 F/ a2 f6 e6 p8 Q4. 其他领域的量子感测：量子照明原理可能在雷达以外的其他感测和计量领域找到应用。
  o; O+ _" i0 B- q: U
结论
  J# m, @7 b: K/ l$ ?" U( p, [5 @" d量子雷达技术虽然在理论上有前景，但面临着严重的实际挑战，限制了其在实际场景中的应用。固有的距离限制，加上对低温冷却的需求，以及无法在不失去量子优势的情况下放大信号，使量子雷达不适用于大多数常规雷达应用。

量子雷达据称的优势，如改进隐身目标的探测或显著增强距离性能，并未得到当前理论和实验证据的支持。事实上，传统雷达和噪声雷达系统在探测距离和整体性能方面始终优于量子雷达。

然而，量子雷达的研究已经促进了我们对量子感测的理解，可能为其他领域的新应用开辟机遇。随着研究的继续，以批判和现实的视角看待量子雷达技术非常重要，重点关注其独特属性可能提供真正优势的潜在特定应用。
$ v$ p- B0 h4 Y/ |1 p! k
未来的量子雷达研究应该集中于：
0 y& [6 k6 {" W6 I* j9 n

开发更高效的方法来生成和探测微波频率下的纠缠光子对。

探索短程、低功率感测场景中的潜在应用。

研究在其他频段（如太赫兹或光学领域）使用量子照明原理的可能性。

解决实施量子雷达系统的实际挑战，包括低温冷却和信号处理。
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9 T. O/ ]2 A* Y& Q& b6 o/ I# i! j8 O通过理解量子雷达的限制和可能性，研究人员和工程师可以更好地引导他们的努力，开发实用的量子感测技术，有朝一日可能补充或增强现有的雷达和感测系统。
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4 h5 g" [9 a. s" m% O
4 k. I. D+ R2 k3 u/ |参考文献
$ L3 E) V, o. d, q9 l# D$ P  U[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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