從珠海航展量子雷達首秀出發淺談量子技術的應用場景

劉佳敏

摘要：最近，珠海航展吸引了好多人的目光，其中一款量子雷達更是備受矚目。量子雷達的面試離不開量子技術，今天我們就從珠海航展量子雷達首秀出發淺談量子技術的應用場景。本文首先概述了什么是量子雷達，接著介紹了量子技術的發展史，然后介紹了量子技術在通信、計算、雷達三個方面的應用。最后，探討了量子技術的發展趨勢，包括量子技術的商業化、應用領域擴大化、量子產業規?；?。

關鍵詞：珠海航展;量子雷達;量子技術

中圖分類號：TN959 文獻標識碼：A 文章編號：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國際航空航天博覽會在廣州珠海展開。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無人預警機、全球最快的反艦導彈、各種察打一體無人機等，但最吸引人眼球的還是有中國電科集團14所研制的量子雷達，這款量子雷達之前一直若隱若現，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，如圖中藍色剪頭指示、如同望遠鏡一樣的裝置分別是量子信號發射機和接收機，紅色箭頭指示的圓柱體裝置是數據處理器。這款量子雷達通過收發量子信號實現探測的，目前已經能夠實現遠程探測功能，這在國際上也屬第一次，這一成果意味著量子雷達已經突破了傳統雷達的探測極限。同時這款基于量子技術的雷達還具備識別隱身的平臺、分辨武器系統等特點，能夠為軍隊感知能力和探測能力提供強大的助力。這些功能的實現全部依賴于量子技術，那么接下來將與你共同認識神奇的量子技術。

1 量子雷達簡介

雷達是一種利用電磁波實現對環境進行探測的電子設備，在軍事和民事應用中具有非常重要的意義。隨著對探測水平要求的不斷提升，雷達探測技術也在不斷精進。前文說到的量子雷達就是其中一種基于量子物理學理論的新型雷達探測技術。根據不同的應用場景，量子雷達可分為三種類型。

第一種類型為干涉式量子雷達。這種雷達的模型是馬赫澤德干涉儀，獲取目標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，而且通過多年學術研究驗證，干涉式量子雷達可實現超靈敏探測，具有非常高的實際應用潛力。

第二種類型為接收端量子增強雷達。這種量子雷達的主要目的是為了避免量子信號與目標之間的產生消相干作用，影響探測效果，所以在該雷達的接收端增加了量子增強技術減少背景噪音，同時在發射端還增加了電磁波來照射目標，兩端同時作用能夠提升雷達信噪比，在探測微弱信號或者獲得高分辨率圖像等方面就有重要的實用價值。

第三種類型就是量子照明雷達。這種量子雷達在接收端和發射端都利用量子技術，不再使用傳統的相位差確定目標，而是利用了一對糾纏光子之間的緊密聯系，在一對糾纏光子中，一個被留在接收端，另外一個則發射到目標位置，以兩個糾纏光子的關聯關系所引發的變化分析目標。這種方法受環境影響而產生的損耗小，能非常有效地探測目標，比經典照明目標探測更有意義。

2 量子技術發展史

1900年普朗克在熱輻射的研究中第一次發現了量子，首次向世人揭示了微觀世界的非連續本性。1905年，愛因斯坦發現光不僅具有波動性，還同時具有粒子性，因此提出了光量子的假說，揭示了光的波粒二象性，這一性質的發現發展了量子概念。在此基礎上，1924年德布羅意提出了物質波的假說，說明不僅光具有波粒二象性，所有物質粒子都是如此。1925年，薛定諤在德布羅意研究基礎上發現了物質波的演化方程，即著名的薛定諤方程，建立了波動力學。1944年，薛定諤又試圖把量子力學、生命科學、熱力學三個學科融合，可以說這是量子技術的前身。終于，1980年基于量子技術的核磁共振開始在臨床醫學領域內使用，隨后生命信息檢測儀也投入使用。1990年，用于診斷早期腫瘤的量子共振檢測儀被美國發明出來。2016年，我國于酒泉衛星發射中心發射了世界上首顆量子衛星。2016年，由中國國防企業研制的能夠發現隱形飛機的量子雷達問世。

3 量子技術的應用

自1900年普朗克發現量子以來，量子的相關研究已經持續了100多年，隨著這100多年來該領域技術的不斷精進，這個技術也為人類的生產生活帶來了顛覆性的變化。尤其是激光技術的利用，更是為制造業、醫學領域等行業揭開了新的篇章。量子技術的應用場景主要涉及三個，即量子通信、量子計算及量子雷達。

3.1 量子通信

目前來說，其實量子通信并沒有一個非常嚴格的定義。如果從物理學角度，我們可以簡單的把其理解為量子效應在物理極限下實現的高性能通信。如果從信息學角度來看，利用量子態不可克隆或其測量坍塌性質、量子測量或量子態隱形傳輸等方法進行的信息傳輸。量子通信的傳輸系統與其他信息傳輸系統類似，涉及的關鍵設備包括信源、信道、信宿、變換器、反變化器組成，與經典信息傳輸模型不同的是，通過經典信號轉換成量子信息后經由量子信道進行傳輸，接收端接收到信號后再將量子信號轉換為經典信號處理。

量子通信有兩個顯著優勢，一個是特別安全。利用量子進行信號傳輸的方式，由于量子是物質的最小單元等性質，使得如果在傳輸過程中信息被截獲、竊聽或者復制，量子都會對應產生變化，那么接收端接收到的量子信息也必然出現異常并及時被接收端感知。從這個優勢上來說，量子通信也被看做是無條件安全或者說絕對安全的信息傳輸方式。第二個優勢是無障礙傳輸。在量子力學領域有一個現象叫做量子糾纏態，相互糾纏的兩個粒子就像一對心有靈犀的雙胞胎，無論兩個粒子距離多遠，只要其中一個發生變化另一個會立刻有所反應。利用量子糾纏態下兩個粒子之間的相互感應關系進行信息傳輸，不會經歷空間衰減即可獲知信息情況，絕對不存在任何障礙阻礙信息傳輸。

3.2 量子計算

20世紀發展速度最快的技術就是以集成電路為基礎發展起來的計算機技術以及光纖通信技術和互聯網技術，這三個技術為社會經濟帶來了飛速的發展，也將我們生產生活的效率成倍增加。但人類對速度和效率的追求是沒有止境的，物聯網時代的發展需求要求計算機的元器件要朝著更精巧的方向發展，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用發展，那么這個時候微觀世界的各類量子效應就會出現。我們知道，微觀世界很多效應與宏觀世界有很大的區別，為了解決這些效應帶來的問題也為了能夠有效地利用這些效應，量子計算將起到重要的作用。

同前文所說的量子通信已經開始在生活中開始應該不同，量子計算還只是處于一個起步的階段。但是基于量子計算所能引發的超強計算能力，量子計算早就已經成為科研學者必爭的高地。目前，市面上所建立的量子計算物理模型主要包括光量子計算機、核磁共振量子計算機及離子阱量子計算機等，量子計算的實現方式也主要涉及兩個方面，即利用量子糾纏態和不利用量子糾纏態。從所能實現的功能來看，雖然只能解決傳統計算機能解決的問題，但在計算速度上要快于傳統計算機。

3.3 量子雷達

量子技術最重要的一個應用場景就是量子雷達，這種全新理念的雷達突破原有雷達的探測功能，靈敏度更高、探測距離更遠、獲得數據更加可靠，更重要的是能實現反隱身技術。量子雷達能夠擁有這些優勢，主要還是因為雷達發射的探測信號載體是量子。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生變化，是無法通過其他途徑進行彌補的，所以雷達隱形飛機的隱形手段或者其他雷達信號破壞手段對量子雷達都不起作用。

與傳統雷達相比，量子雷達的靈敏度如此之高的原因是其傳輸的信號載體是單個的量子，信號傳輸過程中所涉及到的接收、調制、檢測的均是量子，不會受到環境背景中如不同頻段、雜波等其他因素的干擾而產生的損耗，也就是說量子雷達在信號發射端發出來的是什么，接收端將接收到一模一樣的信息，相當于信息的完美克隆，因此也就造就了非常的靈敏度。另外，量子雷達調制方式與傳統雷達的調制方式比更具優勢，因為前者調制對象是量子態，也就意味著能夠調制的維度更高，對目標而言，高緯度的調制就意味著對微弱目標的檢測能力更強，也提升了反偵聽能力，提高了信號傳輸的安全性。

4 量子技術發展趨勢

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

4.1 量子技術商業化

量子技術潛藏的巨大能量正在被人類一點一點挖掘，但由于技術手段等各方面限制，使得量子技術的使用成本很高，所以目前量子技術的應用基本都在比較高端的行業，如軍事、航空航天領域，對平民百姓的生活滲透的并不深入。但物聯網時代對于更多數據的計算和處理需求，量子技術獎發揮巨大作用，如果能夠把量子技術與人工智能融合，那人工智能的智慧程度將比現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、美國等國家紛紛宣布在量子計算方面取得的成果，并表示出面向大眾開放的意愿，相信量子技術在不久的將來就能夠實現商業化。

4.2 應用領域擴大化

如同量子技術未能實現商業化一樣，量子技術深入涉及的領域也比較有限。目前量子技術被應用最多也最深入的僅有量子通信技術，量子雷達和量子計算僅停留在實驗研究階段，并未真正進行投產使用。但面對量子技術潛在的巨大能力，現在的使用情況未免有些大材小用。未來，量子技術必將延伸到各行各業，將其內在的巨大能量發揮到極致。

4.3 量子產業規模化

量子技術的發展目前還處于初級階段，對其它行業的滲透僅是淺嘗輒止。從僅有的技術手段應用到各種工業、農業等行業的產品中所產生的效果來看，已經能夠解決很多傳統手段無法解決的問題，比如經過量子技術植入護膚品后的皮膚更加細膩，經過量子水質處理器處理過的水，其中攜帶的與糖尿病康復相關信息達到80種。由此可見量子技術的商業化價值非常可觀，掌握了量子技術就是掌握了新的商業武器。未來，量子產業將趨于規?；?，為企業創造更多效益。

5 結語

量子雷達的展示說明中國的量子技術處于世界領先水平，我們有了首顆量子衛星、有了第一條量子通訊的保密干線、有了量子通訊衛星，但我們也只不過才剛剛進入量子技術領域的大門而已。量子技術是一個“嚇人”的科技，愛因斯坦曾將相對論和量子力學進行比較，他認為世界上完全理解量子力學的人并沒有。量子技術所在的領域中，宏觀世界的很多基本常識都是不成立的，別說上個世紀的人，即使以現在的技術水準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、更多的現象會被我們利用，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