隔空照相和量子雷達(dá)

高 峰

隔空照相和量子雷達(dá)

高 峰

能給10多公里外的目標(biāo)拍照，夜視能力出眾，還能看穿云層。在眾多以“量子”為前綴的高科技事物里，如今又多了一件：量子照相機(jī)。

這種相機(jī)是個(gè)不折不扣的“千里眼”，而它的衍生品量子雷達(dá)，則是新一代的隱形飛機(jī)殺手，目前正在被各國(guó)加緊研制。但要從量子照相機(jī)變?yōu)榱孔永走_(dá)，就如同從收音機(jī)到移動(dòng)電話，還需一段漫長(zhǎng)的技術(shù)演進(jìn)過(guò)程。

可看透云層的“鬼”成像

2015年7月，據(jù)媒體報(bào)道，中國(guó)研制出一臺(tái)無(wú)源單像素量子相機(jī)原理樣機(jī)，并成功實(shí)現(xiàn)了約17公里遠(yuǎn)目標(biāo)的可見(jiàn)光成像。它的外形是個(gè)寬0.5米長(zhǎng)1米的綠色金屬箱，鏡頭和感光原件全在金屬箱體內(nèi)，透著一股神秘感。

這臺(tái)相機(jī)通過(guò)雙組鏡頭分別接收太陽(yáng)光以及目標(biāo)反射光，并通過(guò)對(duì)比兩種光，進(jìn)行量子關(guān)聯(lián)算法來(lái)重建目標(biāo)的圖像。

為什么這么復(fù)雜？事實(shí)上，這就是量子相機(jī)的特別之處。

對(duì)于一般的相機(jī)來(lái)說(shuō)，要給物體拍照，就必須用光照射物體，使被照射物體散射或透射出大量光到感光元器件上，從而獲得物體的一個(gè)圖像。

然而在很多情況下比如微光環(huán)境，相機(jī)的感光元件無(wú)法獲得大量的光。這時(shí)候要成像，有兩種辦法，一種是利用紅外線。任何比絕對(duì)零度（零下273攝氏度）溫度高的物體，都會(huì)向外輻射紅外線。基于這個(gè)原理，在相機(jī)內(nèi)設(shè)置接受紅外線感光器，就可實(shí)現(xiàn)紅外成像。

不過(guò)紅外線相機(jī)無(wú)法穿透高溫?zé)熿F，這一缺陷在航天領(lǐng)域很致命，衛(wèi)星上的相機(jī)如果無(wú)法穿越云層，將不能及時(shí)反饋地表情況。

另一種微光成像技術(shù)就是量子成像。科學(xué)家對(duì)量子成像最早的認(rèn)識(shí)是半個(gè)世紀(jì)前，英國(guó)天體物理學(xué)家漢伯里·布朗和特威斯為獲得天體尺寸而開(kāi)展的HBT實(shí)驗(yàn)。兩人在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束光被分為兩束時(shí)，兩者的光強(qiáng)存在關(guān)聯(lián)性。這與當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為光子是不會(huì)相互影響的觀點(diǎn)相悖。該現(xiàn)象也被稱為“光子聚束效應(yīng)”。

之后經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，尤其是激光技術(shù)的突飛猛進(jìn)，1995年美國(guó)馬里蘭大學(xué)首次完成了被稱為“鬼成像”的量子成像實(shí)驗(yàn)。“鬼成像”就是在HBT實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在一束光的光路內(nèi)放置物體，而后對(duì)比兩束光的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，隨后可得到放置物體的圖像。

早期的量子成像必須在特定的光源下進(jìn)行，而且只能得到物體的輪廓。而隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，以及量子關(guān)聯(lián)算法的優(yōu)化，目前的量子成像已經(jīng)能在自然光源下，得到物體清晰的圖像。

2014年，美國(guó)防務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站披露，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）正在開(kāi)發(fā)一種可“看穿”煙霧和熱浪的量子成像技術(shù)。在披露資料中，該系統(tǒng)進(jìn)行了距離2.33千米的成像測(cè)試，在低光和氣流紊亂情況下獲取了清晰度令人驚訝的圖像。

ARL自稱，該團(tuán)隊(duì)自2003年就開(kāi)始研究量子成像，2007年發(fā)明遠(yuǎn)程量子成像，該技術(shù)將提高地面、衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)的情報(bào)、監(jiān)視、偵察能力。

反隱利器量子雷達(dá)

相比紅外成像，量子成像技術(shù)除了在微光領(lǐng)域表現(xiàn)搶眼，更重要的是，為量子雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。隨著復(fù)合材料以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，低可探測(cè)性的隱形飛機(jī)成為今日天空霸主。如今應(yīng)對(duì)隱形飛機(jī)的雷達(dá)系統(tǒng)眾多，而量子雷達(dá)被公認(rèn)為未來(lái)最有效的反隱形手段之一。

2008年，美國(guó)麻省理工學(xué)院教授勞埃德首次提出基于光波照射方式的量子雷達(dá)系統(tǒng)。這種量子雷達(dá)的原理與量子相機(jī)相似，只不過(guò)將相機(jī)接收的太陽(yáng)光，變?yōu)樘綔y(cè)光波。

量子雷達(dá)內(nèi)也有兩臺(tái)接收器，一臺(tái)備份探測(cè)光波，另一臺(tái)接收被照目標(biāo)物回波，而后將兩種波進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)量子關(guān)聯(lián)算法得出目標(biāo)圖像、方位等信息。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，勞埃德表示，隨著探測(cè)光波復(fù)雜程度的上升，被照射物體可探測(cè)性將呈幾何倍的增長(zhǎng)。

相比傳統(tǒng)雷達(dá)，因光波的復(fù)雜性，被探測(cè)目標(biāo)很難通過(guò)吸收、復(fù)制等方式干擾量子雷達(dá)。這如同將標(biāo)記目標(biāo)的物質(zhì)由顏料換成了熒光粉，極大提高了目標(biāo)的可探測(cè)性。

此外，在傳統(tǒng)雷達(dá)領(lǐng)域，必須擁有隱形技術(shù)的國(guó)家才能獲取反隱形能力。而量子雷達(dá)是另辟蹊徑，即便沒(méi)有掌握隱形技術(shù)，也可實(shí)現(xiàn)反隱形。因此，各國(guó)都在研發(fā)量子雷達(dá)，只是披露情況不一。

當(dāng)然，有盾就有矛，目前針對(duì)低復(fù)雜度的探照光波，已可以進(jìn)行復(fù)制并因此使得量子雷達(dá)致盲。2013年1月，美國(guó)紐約羅切斯特大學(xué)的一個(gè)研究小組公布其研發(fā)出了可探照物體的量子雷達(dá)。但該研究小組在發(fā)表成果的同時(shí)也表示，他們的雷達(dá)系統(tǒng)并非完美。因?yàn)槠渌玫奶秸展馑膸追N粒子容易被“吸走”和復(fù)制，敵方可對(duì)量子雷達(dá)進(jìn)行同頻探照光波輻射。

這將使量子雷達(dá)不能開(kāi)展量子關(guān)聯(lián)運(yùn)算而致盲。而目前，世界各地的很多實(shí)驗(yàn)室都擁有這種干擾設(shè)備。

除了在軍事領(lǐng)域，在民生領(lǐng)域量子雷達(dá)也有用武之地。

2015年4月，由英國(guó)約克大學(xué)量子信息科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組開(kāi)發(fā)出一種量子雷達(dá)原型。該組織表示，其發(fā)明量子雷達(dá)是個(gè)混合系統(tǒng)，能利用微波與光束之間的量子相關(guān)性來(lái)探測(cè)物體，如癌細(xì)胞這類(lèi)低反射率目標(biāo)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種量子雷達(dá)能以非入侵的方式檢查生物樣本或人類(lèi)組織中是否存在缺陷。在醫(yī)療中，這些技術(shù)可用在磁共振成像中，降低病人身體吸收的輻射劑量。

量子雷達(dá)雖然是新一代的雷達(dá)系統(tǒng)，可帶來(lái)革命性的應(yīng)用機(jī)遇，但目前，它仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段。

即便是最為領(lǐng)先的軍事領(lǐng)域，美國(guó)紐約羅切斯特大學(xué)和英國(guó)約克大學(xué)的量子雷達(dá)，也只是解決了探照問(wèn)題，還不能實(shí)現(xiàn)追蹤、鎖定目標(biāo)等功能。人們要見(jiàn)到可用于實(shí)戰(zhàn)的量子雷達(dá)恐怕還得等上多年。（中國(guó)科學(xué)院）