量子雷达短暂的怪异寿命和潜在的来世

你可以称杰弗里·夏皮罗(Jeffrey Shapiro)为不情愿的量子雷达教父。12年前，麻省理工学院(MIT)的电气工程师帮助开发了这一计划背后的关键概念，以显著提高雷达的灵敏度。但就连他也认为这项技术行不通。“有很多问题让我很难相信这个系统会有任何用处，”夏皮罗说。因此，他对其他研究人员和资助机构继续在这方面大肆挥霍的关注感到困惑和沮丧。

2016年有媒体报道称，中国已经建造了一台量子雷达，这引发了一场本应是领域的小型军备竞赛-这可能威胁到隐形军用飞机躲避常规雷达的能力。“我开始做这件事是因为有政府人员来找我说，‘有报道说量子雷达从中国出来。这是真的吗？‘“。加拿大滑铁卢大学的物理学家克里斯托弗·威尔逊说。他的团队和其他人已经展示了量子雷达方案的元素，但只在有限的实验中，非量子系统仍然可以匹配。

量子雷达的故事始于2008年，当时麻省理工学院的量子工程师塞斯·劳埃德(Seth Lloyd)公布了他的量子照明概念。劳埃德认为，如果你利用称为纠缠的粒子之间的量子连接，而不仅仅是反射光线，你可以更容易地在明亮的背景下探测到一个物体。每个光子都有一个决定其能量的频率。奇怪的是，量子理论说，一个光子可以同时有多个频率--直到它被测量并随机“坍塌”到一个频率或另一个频率。更奇怪的是，两个这样的光子可以纠缠在一起，这样它们的频率虽然不确定，但却是相关的：无论何时测量，它们肯定是相同的。

劳埃德计算出，观察者通过产生纠缠对，将一个光子照射到物体上，保持另一个光子不变，然后以特定的方式一起测量保留和返回的光子，可以更容易地挑选出一个物体。从本质上讲，纠缠关联将使人们更难将背景光子与目标反射的光子误认为是背景光子。信噪比将随着纠缠量的增加而增大：纠缠对中的每个光子跨越的频率越多，信号就越强。

劳埃德的计算依赖于一种高度理想化的纠缠形式。因此，同年，他、夏皮罗和他的同事们对实验人员可以用一种特殊的晶体产生的真正的纠缠光脉冲重新做了一次，这种晶体可以将单个高频脉冲转换为两个低频纠缠脉冲。这些脉冲没有确定的光子数--只有一个平均数--而且它们像无线电静电一样是“嘈杂的”。但多亏了纠缠，两个脉冲中的噪音高度相关。

研究人员将依赖于纠缠脉冲的探测器与传统的发射单脉冲激光(也称为相干态)的探测器的灵敏度进行了比较。他们发现，量子效应仅将信噪比提高了4倍，低于他们的预期。“我们有点失望，”现在是地平线量子计算公司量子信息理论家的谭思慧说。“相干态，它们真他妈的好！”她说。

目标1、2、3低温信号脉冲返回脉冲保留脉冲一种有远见的方案一些研究人员希望通过利用微波脉冲之间的量子联系来提高雷达在背景辐射下识别目标的能力。1生成器创建一对纠缠的微波脉冲，这意味着它们的噪声高度相关。向目标发送一个脉冲。2延迟线保持另一个微波脉冲，以便稍后测量。3探测器测量返回的微波脉冲与保留的脉冲相一致，探测两者之间的相关性，以更高的效率提取目标。

尽管如此，计算还是给了实验者一个目标。2015年，麻省理工学院的研究人员展示了光学频率下的量子照明，实现了20%的信噪比提升。但是那个实验有一个很大的限制。整个想法是在明亮的背景下探测物体，但在室温下几乎没有光学背景-你的环境看不到发光。因此，麻省理工学院的研究小组不得不产生人造背景光。

奥地利科学与技术研究所的实验物理学家约翰尼斯·芬克(Johannes Fink)说，在雷达工作的微波波段，情况就不同了。在室温下，微波从任何地方都能传播，甚至空气中也是如此。“人们对微波炉很感兴趣，因为背景总是存在的，”他说。隐形技术通过抑制军用飞机在微波频率的反射率来隐藏军用飞机，这样周围环境的光辉就可以掩盖飞机的反射。

量子照明似乎有望击败隐形技术。然而，事实证明，用微波演示该方案是令人望而生畏的。物理学家可以使用一种叫做约瑟夫森参数转换器的小玩意儿，从单个微波脉冲中产生成对的纠缠微波脉冲，而不是晶体。但该装置只能在接近绝对零度的温度下工作，这需要在液氦冷却的低温恒温器中工作。

尽管如此，在2019年3月，威尔逊和他的同事们证明了他们可以产生纠缠的微波，并用它们来探测同一个低温恒温器内的一个物体，正如他们在2019年3月发表在《应用物理快报》上的报道一样。芬克；现任卡尔加里大学物理学家沙比尔·巴尔赞杰(Shabir Barzanjeh)；以及他的同事们进行了类似的实验，但放大了信号脉冲，并将其运出低温恒温器，以探测到室温物体，正如他们在5月8日的《科学进展》(The Science Advance)上报道的那样。

但要使该方案真正发挥作用，物理学家还必须保留保留的微波脉冲，直到反射的脉冲(或取代它的背景)返回。然后，两个脉冲可以以一种使量子波能够干涉的方式一起测量。然而，到目前为止，还没有人这样做。取而代之的是，他们立即测量了保留的脉冲，并在稍后测量了返回的脉冲，这在实验中消除了量子关联的任何增益。

研究人员说，即使实验者能够克服技术障碍，量子雷达仍然存在一个致命的弱点。只有当广播脉冲非常微弱时，微波的纠缠脉冲才提供优势。如果脉冲包含明显多于一个光子，额外的量子关联就会从日珥中消失-这在真实雷达中是压倒性的情况。Barzanjeh说：“如果你加大功率，你将看不到量子和经典之间的任何区别。”而加大功率是提高灵敏度的一种简单得多的方法。

法国航空航天局(Onera)专门研究雷达的物理学家法布里斯布斯特(Fabrice Boust)说，这些考虑表明量子雷达永远不会被部署在远程用途，比如跟踪飞机。他说，无论中国开发了什么系统，几乎可以肯定的是，它并不是人们通常认为的量子雷达。“我确信，当他们宣布他们的量子雷达时，它不工作，”布斯特说。“但他们知道会有反应。”

芬克说，他的个人目标仍然是科学的：在实验室里展示纠缠探测被眩光隐藏的物体的真正优势-无论它有多小。但是，索邦大学的理论家贾科莫·索雷利(Giacomo Sorelli)表示，派遣量子雷达探测隐形飞机的梦想可能会消退。“把这项技术的长期应用拿出来，肯定会让资助机构失去很多兴趣，”他说。

夏皮罗则不太确定。他指出，本周，研究人员在电气和电子工程师学会在线雷达会议的一个特别会议上再次讨论了量子雷达。